RU2647564C1 - Способ измерения электрической емкости - Google Patents
Способ измерения электрической емкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2647564C1 RU2647564C1 RU2017100230A RU2017100230A RU2647564C1 RU 2647564 C1 RU2647564 C1 RU 2647564C1 RU 2017100230 A RU2017100230 A RU 2017100230A RU 2017100230 A RU2017100230 A RU 2017100230A RU 2647564 C1 RU2647564 C1 RU 2647564C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitor
- measured
- capacitance
- voltage
- value
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости основан на регистрации времени заряда t1 измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения Е до момента достижения на измеряемом конденсаторе СХ заранее принятого порогового значения напряжения U0. Заменив измеряемый конденсатор СХ образцовым конденсатором СО с известной емкостью, измеряют время заряда образцового конденсатора t2, не меняя при этом значения сопротивления резистора R, напряжения зарядного источника Е и заранее принятого порогового значения напряжения U0 на конденсаторе. Измеряемую емкость вычисляют по формуле:
где СО - емкость образцового конденсатора; t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СХ до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках; t2 - время заряда конденсатора СО до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках. Технический результат заключается в повышении точности измерения электрической емкости. 1 табл., 3 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке приборов, предназначенных для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.).
Уровень техники
Известно много способов измерения электрической емкости, среди которых можно отметить:
- способы, использующие резонансные свойства колебательного контура, содержащего катушку индуктивности и конденсатор с измеряемой емкостью СХ (Полулях К.С. Резонансные методы измерений. - М.: Энергия, 1980. - 120 с.);
- способы измерения параметров RC-генератора, содержащего во времязадающей цепи измеряемый конденсатор СХ (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - 624 с.);
- мостовые методы, основанные на сравнении измеряемой емкости с образцовой (Шарапов В.М. Емкостные датчики. В.М. Шарапов, И.Г. Минаев и др. Под ред. В.М. Шарапова. - Черкассы: Брама-Украина, 2010. - 152 с.).
Недостаток перечисленных способов заключается в необходимости использования и обработки высокочастотных сигналов, что усложняет их техническую реализацию.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является известный способ измерения электрической емкости на постоянном токе, основанный на измерении параметров переходного процесса в пассивном линейном четырехполюснике, содержащем конденсатор с измеряемой емкостью СХ и активное сопротивление R в цепи его зарядки от источника постоянного тока с напряжением Е (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - С. 165-166).
Известно, что переходная характеристика такого четырехполюсника, т.е. его реакция на ступенчатый входной сигнал Е, графически представленная изменением напряжения U(t) на конденсаторе, имеет вид экспоненты
где: U(t) - мгновенное значение напряжения на конденсаторе с измеряемой емкостью СХ; t - время отсчета с момента поступления ступенчатого сигнала; Т - постоянная времени: Т=R⋅CX.
Известный способ измерения емкости основан на измерении мгновенного значения напряжения U(t) в соответствующий момент времени t, что позволяет, используя свойства экспоненты, определить постоянную времени Т и по ней значение измеряемой емкости
Измерение емкости указанным способом сопряжено с необходимостью стабилизации значений Е и R, т.к. их изменение под действием внешних факторов и старения приводит к появлению дополнительной погрешности измерения.
Раскрытие изобретения
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа измерения электрической емкости, направлен на устранение влияния изменения напряжения Е источника постоянного тока, сопротивления R резистора в цепи заряда конденсатора с измеряемой емкостью СХ на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости.
Технический результат достигается тем, что на измеряемый конденсатор СХ через резистор R подают постоянное напряжение Е и измеряют время t1 заряда этого конденсатора с момента подачи Е до момента достижения на конденсаторе заранее принятого порогового значения U0; затем, не меняя значений сопротивления R и постоянного напряжения Е, заменяют измеряемый конденсатор на образцовый конденсатор с известной емкостью СО, заряжают его, фиксируют время t2 его зарядки до того же порогового значения U0 и рассчитывают измеряемую емкость СХ по формуле:
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого способа измерения емкости. На фиг. 2 - переходные характеристики, показывающие изменение мгновенных значений напряжений U1(t) и U2(t). На фиг. 3 - схема установки для осуществления экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа измерения электрической емкости.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ опирается на следующие предпосылки.
Как известно, при подключении RC-четырехполюсника к источнику постоянного тока напряжение на конденсаторе меняется по экспоненте. Так, если с помощью замыкающего ключа К1 (фиг. 1) в момент времени t=0 через резистор R подать постоянное напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью СХ, то напряжение U1(t) на нем, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2):
с постоянной времени Т1=R⋅СХ.
Как только U1(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью переключающего ключа К2 отключают измеряемый конденсатор СХ и замещают его образцовым конденсатором с известной емкостью СО. С помощью ключа К1 снова подают в момент времени t=0 через резистор R постоянное напряжение Е на конденсатор СО.
Напряжение U2(t) на конденсаторе СО начинает нарастать по экспоненте с постоянной времени Т2=RCO (фиг. 2):
Как только U2(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U0, фиксируют момент времени t2. В общем случае t1≠t2. Если, например, СО>СХ, то t2>t1 (как показано на фиг. 2). Так как моменты времени t1 и t2 фиксируют при достижении мгновенными значениями напряжений U1(t) и U2(t) одного и того же уровня U0, то можно записать:
С учетом (4) и (5) это условие (6) можно записать:
Решая (8) относительно неизвестного значения СХ, получаем формулу для его расчета (3).
При выводе этой расчетной формулы (3) в выражении (7) в левой и правой части равенства произвели сокращение на Е, а в выражении (8) - сокращение на R. Такие математические действия с равенствами (7) и (8) возможны в предположении, что за короткое время необходимое для проведения измерения t1 и t2 эти параметры, т.е. Е и R, остаются неизменными.
Поэтому значения Е и R не вошли в расчетную формулу (3), что устраняет возможность появления дополнительной погрешности в случае изменения этих параметров.
Так же в расчетную формулу (3) не вошло и значение U0, определяющее моменты t1 и t2.
Следовательно, предлагаемый способ устраняет влияние изменения напряжения источника питания Е, сопротивления R в цепи заряда измеряемой емкости и порогового значения напряжения U0, определяющего моменты фиксации t1 и t2.
Кроме того, если при измерении t1 и t2 имела место мультипликативная составляющая систематической инструментальной погрешности, то она также не повлияет на результат измерения емкости по предлагаемому способу, т.к. войдет сомножителем в числитель и знаменатель расчетной формулы (3).
Кроме того, если значения СХ и СО соизмеримы и, соответственно, соизмеримы значения t1 и t2, то практически исчезнет влияние и аддитивной составляющей систематической погрешности, т.к. она войдет в числитель и знаменатель расчетной формулы (3) с одним и тем же знаком.
Если предлагаемый способ будет реализован на базе микроконтроллера, то интервал времени, необходимый для его осуществления, т.е. для измерения t1 и t2 и расчета СХ по (3), будет составлять доли секунды, что позволяет рассчитывать на постоянство Е, R и U0 в столь короткий интервал.
Необходимо отметить, что последовательность измерения t1 и t2 не влияет на результат расчета по формуле (3). Можно сначала с помощью ключа К2 соединить с резистором R конденсатор Со, подать ключом К1 постоянное напряжение Е через резистор R на этот конденсатор и при достижении U2(t) порогового значения U0 зафиксировать t2; отключит Е; ключом К2 отсоединить СО и подключить СХ; подать Е на СХ; при достижении U1(t) порогового значения U0 зафиксировать t1 и по формуле (3) определить значение измеряемой емкости СХ.
Заранее принятое пороговое значение U0, как и в известном способе, основанном на измерении параметров переходного процесса, должно быть меньше значения Е, и его обычно выбирают в пределах (0,3-0,7)Е.
Значение СО с целью повышения чувствительности предлагаемого способа, исходя из общеизвестных положений метрологии, следует брать соизмеримым с предполагаемым значением измеряемой емкости СХ, что обеспечивает измерения как t1, так и t2 в равноточных условиях. Исходя из этого, можно рекомендовать СО=(0,1…10)СХ.
Измерение интервалов времени t1 и t2 возможно с применением любых известных средств как в цифровом, так и аналоговом исполнении, имеющих порог чувствительности, позволяющий проводить измерение емкости в соответствующих пределах. Чем выше чувствительность, тем меньше значение СХ, доступное для измерения предлагаемым способом.
Проверка работоспособности предлагаемого способа проводилась на установке (фиг. 3), в которой измеритель напряжения 1 выполнен на базе аналогового компаратора на операционном усилителе, например типа К554СА3. В качестве измерителя времени установлен электронный цифровой секундомер 2, например типа СИ8 ОВЕН, с чувствительностью 10 мс и имеющий два входа: один вход 3 для запуска высоким напряжением; другой вход 4 для остановки счета в случае поступления низкого напряжения (менее 0,8 В для этого секундомера). Такой порог чувствительности позволяет проводить измерения электрической емкости примерно от 0,5 мкФ и выше в сторону увеличения.
При измерении t1 и t2 при срабатывании ключа К1 (фиг. 3) высокое напряжение от источника Е поступает на вход 3 секундомера 2, запуская его в работу. Компаратор 1 включен по схеме инвертора, т.к. опорное напряжение U0 подается на неинвертирующий вход компаратора, а измеряемое напряжение U1(t) (или U2(t)) поступает на инвертирующий вход компаратора. До тех пор пока U1(t)<U0 (или U2(t)<0), на выходе компаратора высокое напряжение, что обеспечивает работу секундомера. Как только U1(t) (или U2(t)) станет равным U0, на выходе компаратора напряжение станет низким, что остановит работу секундомера и позволит снять его показания.
Как видно из представленной таблицы, изменение U0 с 5 до 7,5 В (опыты №1 и №2), изменение Е с 10 до 20 В (опыты №2 и №3), изменение R с 102 до 152 кОм практически не повлияли на точность измерения, и относительная погрешность измерения электрической емкости с применением предложенного способа не превысила 2%.
Предлагаемый способ измерения емкости по сравнению с прототипом и другими известными способами обладает следующими преимуществами:
- устраняет влияние дестабилизирующих факторов, таких как изменение напряжения питания, изменение сопротивления в цепи зарядки конденсатора и изменение значения напряжения срабатывания измерителя временных интервалов на точность измерения;
- доступность технической реализации на базе общедоступных микроконтроллеров, автоматически выполняющих все необходимые операции по измерению емкости.
Claims (5)
- Способ измерения электрической емкости, основанный на регистрации времени заряда измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор постоянного напряжения до момента достижения на измеряемом конденсаторе заранее принятого порогового значения напряжения, отличающийся тем, что, заменив измеряемый конденсатор образцовым конденсатором с известной емкостью, измеряют время заряда образцового конденсатора, не меняя при этом значения сопротивления резистора, напряжения зарядного источника и заранее принятого порогового значения напряжения на конденсаторе, и измеряемую емкость вычисляют по формуле:
- где СО - емкость образцового конденсатора;
- t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СX до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;
- t2 - время заряда конденсатора СО до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017100230A RU2647564C1 (ru) | 2017-01-09 | 2017-01-09 | Способ измерения электрической емкости |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017100230A RU2647564C1 (ru) | 2017-01-09 | 2017-01-09 | Способ измерения электрической емкости |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2647564C1 true RU2647564C1 (ru) | 2018-03-16 |
Family
ID=61629455
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017100230A RU2647564C1 (ru) | 2017-01-09 | 2017-01-09 | Способ измерения электрической емкости |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2647564C1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU256068A1 (ru) * | В. П. конов | Цифровой измеритель емкости | ||
SU402984A1 (ru) * | 1970-01-30 | 1973-10-19 | УСТРОЙСТВО дл ФИКСАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН | |
US3886447A (en) * | 1972-05-17 | 1975-05-27 | Iwatsu Electric Co Ltd | Capacitance-voltage converter |
SU635438A1 (ru) * | 1977-07-05 | 1978-11-30 | Отделение N 1 Томского Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехнического Института Имени С.М.Кирова | Емкостное измерительное устройство |
US9224536B2 (en) * | 2010-02-08 | 2015-12-29 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Variable capacitance device |
RU2593818C1 (ru) * | 2015-03-23 | 2016-08-10 | Акционерное общество "Зеленоградский нанотехнологический центр" | Способ и устройство измерения электрической емкости |
RU2603937C1 (ru) * | 2015-09-02 | 2016-12-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу |
-
2017
- 2017-01-09 RU RU2017100230A patent/RU2647564C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU256068A1 (ru) * | В. П. конов | Цифровой измеритель емкости | ||
SU402984A1 (ru) * | 1970-01-30 | 1973-10-19 | УСТРОЙСТВО дл ФИКСАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН | |
US3886447A (en) * | 1972-05-17 | 1975-05-27 | Iwatsu Electric Co Ltd | Capacitance-voltage converter |
SU635438A1 (ru) * | 1977-07-05 | 1978-11-30 | Отделение N 1 Томского Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехнического Института Имени С.М.Кирова | Емкостное измерительное устройство |
US9224536B2 (en) * | 2010-02-08 | 2015-12-29 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Variable capacitance device |
RU2593818C1 (ru) * | 2015-03-23 | 2016-08-10 | Акционерное общество "Зеленоградский нанотехнологический центр" | Способ и устройство измерения электрической емкости |
RU2603937C1 (ru) * | 2015-09-02 | 2016-12-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9829520B2 (en) | Low frequency impedance measurement with source measure units | |
US20190369148A1 (en) | Capacitive sensing | |
CN110244112B (zh) | 一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置及测量方法 | |
RU2647564C1 (ru) | Способ измерения электрической емкости | |
RU2660283C1 (ru) | Способ измерения электрической емкости | |
JP2007003407A (ja) | インピーダンス測定方法及び装置 | |
RU2645130C1 (ru) | Способ измерения электрической емкости | |
JP5779034B2 (ja) | 積分型の電流電圧変換回路を有する電気測定装置 | |
CN210401507U (zh) | 一种时域中介电材料极化瞬态的测量装置 | |
RU2377580C1 (ru) | Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции | |
Nelms et al. | A comparison of two equivalent circuits for double-layer capacitors | |
CN107870298B (zh) | 一种分压电路的电路参数检测电路、方法及电能表 | |
CN115902372B (zh) | 一种直流电压的测量方法、装置、电子设备及存储介质 | |
RU2461841C1 (ru) | Устройство измерения активного сопротивления диссипативных cg-двухполюсников | |
RU2714954C1 (ru) | Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников | |
RU2774047C1 (ru) | Устройство измерения емкости для встраиваемых систем управления | |
Saha et al. | Investigating some important parameters of the PDC measurement technique for the insulation condition assessment of power transformer | |
RU151194U1 (ru) | Устройство формирования выходного сигнала дифференциального измерительного преобразователя | |
RU2563315C1 (ru) | Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции | |
RU2594376C1 (ru) | Способ измерения постоянной времени саморазряда конденсаторов | |
RU2501027C2 (ru) | Устройство для измерения сопротивления электрической изоляции | |
Malik et al. | A simple analog interface for capacitive sensor with offset and parasitic capacitance | |
RU2509314C2 (ru) | Устройство контроля сопротивления изоляции электрической сети переменного тока | |
RU2726282C1 (ru) | Устройство для измерения параметров электрической изоляции | |
RU2490652C1 (ru) | Устройство для контроля качества электрической изоляции |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190110 |