RU2173859C1

RU2173859C1 - Device for measuring capacitor capacitance

Info

Publication number: RU2173859C1
Application number: RU2000128165/09A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Медведев; В.А. Мишин; В.Н. Шивринский
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2001-09-20

Abstract

FIELD: electric engineering. SUBSTANCE: device has alternating current power supply source one of leads of which is connected to common bus and the second one is connected through separating capacitor to the first outputs of the first and the second pairs of diodes connected in series. The diodes are connected in opposition and the connection points are connected to outputs of reference capacitor and one under measurement, respectively. The second outputs of the reference capacitor and one under measurement are connected to the common bus. The first and the second accumulating capacitors connected in series and the first and the second resistors are connected to the output of separating capacitor and the common bus. An additional output resistor is placed between the connection point of resistor and capacitor of low frequency filter and the common bus. The connection point of the first accumulating capacitor and the first resistor is connected to the second output of the first pair of diodes. EFFECT: enabled displacement of output characteristic into the area of positive or negative values of output voltage. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению емкости. The invention relates to the field of electrical measurements, in particular to the measurement of capacitance.

Известен емкостный преобразователь, содержащий мост с индуктивно-связанными плечами (см. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебн. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1983, -стр. 146), включающий повторитель напряжения, трансформатор. Known capacitive transducer containing a bridge with inductively coupled shoulders (see Levshina E.S., Novitsky P.V. Electrical measurements of physical quantities: (Measuring transducers). Textbook for universities. - L .: Energoatomizdat, Leningrad Department, 1983, p. 146), including a voltage follower, transformer.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся его сложность исполнения, наличие трансформатора. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the known device include its complexity of execution, the presence of a transformer.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство с емкостно-диодной измерительной цепью дифференциального датчика, в котором емкости датчика подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов (см. там же, стр. 148, рис. 7-15, б), и принятое за прототип. The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a device with a capacitive-diode measuring circuit of a differential sensor, in which the capacitance of the sensor is connected to an AC voltage source using four diodes and two additional capacitors (see ibid., P. 148, Fig. 7-15, b), and taken as a prototype.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относятся его низкая чувствительность и ограниченный диапазон изменения измеряемой емкости. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using a known device adopted as a prototype include its low sensitivity and a limited range of variation of the measured capacitance.

Технический результат - расширение диапазона измерения емкости и повышение чувствительности. The technical result is the expansion of the range of measurement of capacitance and increased sensitivity.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что устройство для измерения емкости конденсатора содержит источник напряжения переменного тока, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод подключен через разделительный конденсатор к первым выводам первой и второй пар последовательно соединенных диодов, причем первая и вторая пары диодов включены встречно, точка соединения диодов первой пары подключена к выводу образцового конденсатора, точка соединения диодов второй пары подключена к выводу измеряемого конденсатора, а вторые выводы образцового и измеряемого конденсаторов подключены к общей шине; последовательно соединенные первый накопительный конденсатор и первый резистор, подключенные к выводу разделительного конденсатора и общей шине, и фильтр низкой частоты из последовательно соединенных резистора и конденсатора, который включен между выводом разделительного конденсатора и общей шиной. Особенностью является то, что в него введены дополнительный второй накопительный конденсатор, соединенный параллельно со второй парой диодов; дополнительный второй резистор, соединенный между вторым выводом второй пары диодов и общей шиной; и дополнительный выходной резистор, включенный между точкой соединения резистора и конденсатора фильтра низкой частоты и общей шиной; при этом точка соединения первого накопительного конденсатора и первого резистора соединена со вторым выводом первой пары диодов. The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that the device for measuring the capacitance of the capacitor contains an AC voltage source, one output of which is connected to a common bus, and the second output is connected through an isolation capacitor to the first outputs of the first and second pairs of series-connected diodes, the first and the second pair of diodes is turned on in opposite directions, the connection point of the diodes of the first pair is connected to the output of the reference capacitor, the connection point of the diodes of the second pair is connected to the output of the measured capacitor, and the second terminals of the model and measured capacitors are connected to a common bus; a series-connected first storage capacitor and a first resistor connected to the output of the isolation capacitor and a common bus, and a low-pass filter from a series-connected resistor and capacitor that is connected between the output of the separation capacitor and the common bus. The peculiarity is that an additional second storage capacitor is introduced into it, connected in parallel with the second pair of diodes; an additional second resistor connected between the second terminal of the second pair of diodes and a common bus; and an additional output resistor included between the connection point of the resistor and the low-pass filter capacitor and the common bus; wherein the connection point of the first storage capacitor and the first resistor is connected to the second terminal of the first pair of diodes.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для измерения емкости конденсатора,
на фиг. 2 - экспериментальная зависимость выходного напряжения U_вых от измеряемой емкости С_х.In FIG. 1 shows a circuit diagram of the proposed device for measuring the capacitance of a capacitor,
in FIG. 2 - experimental dependence of the output voltage U _o on the measured capacitance C _x .

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Information confirming the possibility of carrying out the invention to obtain the above technical result are as follows.

Устройство содержит источник напряжения переменного тока с выводами 1 и 2, которые образуют вход устройства, первую пару диодов, состоящую из диодов 3 и 4, соединенных последовательно, и вторую пару диодов, состоящую из диодов 5 и 6, соединенных аналогичным образом. Первая пара диодов 3 и 4 включена встречно второй паре диодов 5 и 6. Кроме этого, устройство содержит разделительный конденсатор 7, первый и второй накопительные конденсаторы 8 и 9, образцовый конденсатор 10, измеряемый конденсатор 11, первый и второй резисторы 12 и 13, фильтр низкой частоты, состоящий из последовательно соединенных резистора 14 и конденсатора 15, и выходной резистор 16, выводы 17 и 18 образуют выход устройства. The device contains an AC voltage source with terminals 1 and 2, which form the input of the device, the first pair of diodes, consisting of diodes 3 and 4, connected in series, and the second pair of diodes, consisting of diodes 5 and 6, connected in a similar way. The first pair of diodes 3 and 4 is turned on opposite to the second pair of diodes 5 and 6. In addition, the device contains an isolation capacitor 7, the first and second storage capacitors 8 and 9, a reference capacitor 10, a measured capacitor 11, the first and second resistors 12 and 13, a filter low frequency, consisting of a series-connected resistor 14 and a capacitor 15, and an output resistor 16, the conclusions 17 and 18 form the output of the device.

Первый вывод 2 устройства напряжения переменного тока соединен с общей шиной, а второй вывод 1 подключен через разделительный конденсатор 7 к первым выводам первой пары диодов 3 и 4 и второй пары диодов 5 и 6. Точка соединения диодов 3 и 4 подключена к первому выводу образцового конденсатора 10, а точка соединения диодов 5 и 6 подключена к первому выводу измеряемого конденсатора 11. Вторые выводы образцового конденсатора 10 и измеряемого конденсатора 11 подключены к общей шине. Последовательно соединенные первый накопительный конденсатор 8 и первый резистор 12 подключены ко второму выводу разделительного конденсатора 7 и общей шине. Между вторым выводом разделительного конденсатора 7 и общей шиной включен фильтр низкой частоты. Второй накопительный конденсатор 9 соединен параллельно со второй парой диодов 5 и 6. Второй резистор 13 включен между вторым выводом второй пары диодов 5 и 6 и общей шиной. The first terminal 2 of the AC voltage device is connected to a common bus, and the second terminal 1 is connected through an isolation capacitor 7 to the first terminals of the first pair of diodes 3 and 4 and the second pair of diodes 5 and 6. The connection point of the diodes 3 and 4 is connected to the first terminal of the reference capacitor 10, and the connection point of the diodes 5 and 6 is connected to the first terminal of the measured capacitor 11. The second terminals of the reference capacitor 10 and the measured capacitor 11 are connected to a common bus. The series-connected first storage capacitor 8 and the first resistor 12 are connected to the second terminal of the isolation capacitor 7 and the common bus. A low pass filter is connected between the second terminal of the isolation capacitor 7 and the common bus. The second storage capacitor 9 is connected in parallel with the second pair of diodes 5 and 6. A second resistor 13 is connected between the second terminal of the second pair of diodes 5 and 6 and a common bus.

Выходной резистор 16 включен между точкой соединения резистора 14 и конденсатора 15 и общей шиной. Точка соединения первого накопительного конденсатора 8 и первого резистора 12 соединена со вторым выводом первой пары диодов 3 и 4. An output resistor 16 is connected between the connection point of the resistor 14 and the capacitor 15 and the common bus. The connection point of the first storage capacitor 8 and the first resistor 12 is connected to the second terminal of the first pair of diodes 3 and 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом. The operation of the device is as follows.

При подаче на вход устройства входного напряжения U положительной полярности открывается диод 3, и образцовый конденсатор 10 заряжается до напряжения U_co, которое определяется значением емкости C_o образцового конденсатора 10. При изменении направления входного напряжения U будет протекать ток заряда первого накопительного конденсатора 8 по цепи: точка а, образцовый конденсатор 10, диод 4, первый накопительный конденсатор 8, точка b. При этом первый накопительный конденсатор 8 зарядится до напряжения U_c1 = U + U_co, где U - входное напряжение, U_co - напряжение на образцовом конденсаторе,
так как источник переменного напряжения и конденсатор 10 оказались включенными последовательно и согласно.When an input voltage U of positive polarity is applied to the input of the device, the diode 3 opens, and the reference capacitor 10 is charged to the voltage U _co , which is determined by the value of the capacitance C _{o of the} reference capacitor 10. When the direction of the input voltage U changes, the charge current of the first storage capacitor 8 flows through the circuit : point a, reference capacitor 10, diode 4, first storage capacitor 8, point b. In this case, the first storage capacitor 8 is charged to a voltage of U _c1 = U + U _co , where U is the input voltage, U _co is the voltage at the reference capacitor,
since the alternating voltage source and capacitor 10 turned out to be connected in series and according to.

Аналогичным образом напряжение на втором накопительном конденсаторе 9 равно U_c2 = U + U_cx, где U_cx - напряжение на измеряемом конденсаторе 11 емкостью С_x, но полярность напряжения U_c2 противоположна полярности напряжения U_c1.Similarly, the voltage at the second storage capacitor 9 is U _c2 = U + U _cx , where U _cx is the voltage at the measured capacitor 11 with a capacity of C _x , but the voltage polarity U _{c2 is} opposite to the voltage polarity U _c1 .

Второй накопительный конденсатор 9 разряжается по цепи резистора 14, выходного резистора 16 и второго резистора 13, а первый накопительный конденсатор 8 - по цепи первого резистора 12, выходного резистора 16 и резистора 14. Таким образом, токи разряда первого и второго накопительных конденсаторов 8 и 9 протекают через выходной резистор 16 встречно и выходной сигнал в виде напряжения U_вых, снимаемый с выводов 17 и 18, будет пропорционален разности напряжений U_c2 и U_c1, т.е. в конечном счете пропорционален разности емкостей С_x и С₀ измеряемого и образцового конденсаторов 11 и 10.The second storage capacitor 9 is discharged along the circuit of the resistor 14, the output resistor 16 and the second resistor 13, and the first storage capacitor 8 is discharged through the circuit of the first resistor 12, the output resistor 16 and resistor 14. Thus, the discharge currents of the first and second storage capacitors 8 and 9 flow through the output resistor 16 in the opposite direction and the output signal in the form of voltage U _o taken from the terminals 17 and 18 will be proportional to the voltage difference U _c2 and U _c1 , i.e. ultimately proportional to the difference in capacitance C _x and C ₀ measured and reference capacitors 11 and 10.

В устройстве сохраняется шунтирующее действие первой пары диодов 3 и 4 и второй пары диодов 5 и 6, но так как сопротивления первого и второго резисторов 12 и 13 намного больше прямого сопротивления диодов 3-6, причем для шунтирующих токов первый и второй резисторы 12 и 13 оказываются включенными последовательно, то это действие намного меньше, чем в схеме прототипа. The shunting effect of the first pair of diodes 3 and 4 and the second pair of diodes 5 and 6 is stored in the device, but since the resistances of the first and second resistors 12 and 13 are much greater than the direct resistance of diodes 3-6, and for shunt currents the first and second resistors 12 and 13 If they turn on in series, then this action is much smaller than in the prototype circuit.

Результаты экспериментов показали, что предлагаемое устройство имеет значительно большую чувствительность и диапазон измерения (фиг. 2, кривая 1) по сравнению с прототипом (фиг. 2, кривая 2). Представленная зависимость U_вых (С_x) получена при равенстве сопротивлений первого и второго резисторов 12 и 13, т.е. при R₁=R₂ и С₀ = Const.The experimental results showed that the proposed device has a significantly greater sensitivity and measurement range (Fig. 2, curve 1) compared with the prototype (Fig. 2, curve 2). The presented dependence U _o (C _x ) was obtained when the resistance of the first and second resistors 12 and 13 is equal, i.e. when R ₁ = R ₂ and C ₀ = Const.

При R₁ = R₂ зависимость U_вых (С_x) симметрична относительно точки С_x = С₀.When R ₁ = R _{2, the} dependence of U _o (C _x ) is symmetrical with respect to the point C _x = C ₀ .

Предлагаемое устройство позволяет также смещать характеристику U_вых (С_x) в область положительных или отрицательных значений выходного напряжения U_вых путем выбора разных значений R₁ и R₂ (при R₁ ≠ R₂), что позволяет настраивать устройство только изменением сопротивления либо первого резистора 12, либо второго резистора 13.The proposed device also allows you to shift the characteristic U _o (C _x ) in the range of positive or negative values of the output voltage U _o by choosing different values of R ₁ and R ₂ (at R ₁ ≠ R ₂ ), which allows you to configure the device only by changing the resistance or the first resistor 12, or a second resistor 13.

Благодаря такому включению первого и второго резисторов 12 и 13, а также наличию первого и второго накопительных конденсаторов 8 и 9, стало возможным территориально разнести измеряемый и образцовый конденсаторы 11 и 10 на значительные расстояния. Due to this inclusion of the first and second resistors 12 and 13, as well as the presence of the first and second storage capacitors 8 and 9, it became possible to territorially separate the measured and reference capacitors 11 and 10 over significant distances.

Предложенное устройство может быть использовано и для измерения емкости дифференциального конденсатора, где роль второй измеряемой емкости может выполнять образцовый конденсатор 10. The proposed device can also be used to measure the capacitance of a differential capacitor, where the role of the second measured capacitance can be played by a reference capacitor 10.

Claims

A device for measuring the capacitance of a capacitor, comprising an AC voltage source, one terminal of which is connected to a common bus, and a second terminal is connected through an isolation capacitor to the first terminals of the first and second pairs of diodes connected in series, the first and second pairs of diodes being connected in the opposite direction, the diode connection point the first pair is connected to the first output of the reference capacitor, the connection point of the diodes of the second pair is connected to the first output of the measured capacitor, and the second conclusions of the reference and measured to the capacitors are connected to the common bus, the first storage capacitor and the first resistor connected in series to the second output of the isolation capacitor and the common bus, and a low-pass filter from the series-connected resistor and capacitor that is connected between the second output of the isolation capacitor and the common bus, characterized in that it introduced an additional second storage capacitor connected in parallel with the second pair of diodes, an additional second resistor connected between the second output of the second pair of diodes and a common bus, and an additional output resistor connected between the connection point of the resistor and the low-pass filter capacitor and the common bus, while the connection point of the first storage capacitor and the first resistor is connected to the second output of the first pair of diodes.