RU2660283C1 - Способ измерения электрической емкости - Google Patents
Способ измерения электрической емкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2660283C1 RU2660283C1 RU2017100189A RU2017100189A RU2660283C1 RU 2660283 C1 RU2660283 C1 RU 2660283C1 RU 2017100189 A RU2017100189 A RU 2017100189A RU 2017100189 A RU2017100189 A RU 2017100189A RU 2660283 C1 RU2660283 C1 RU 2660283C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitor
- capacitance
- voltage
- time
- measured
- 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
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
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.). Способ измерения электрической емкости СX, основанный на регистрации времени заряда t1 измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения Е до момента достижения на измеряемом конденсаторе СX заранее принятого порогового значения напряжения U0, после подключения параллельно к измеряемому конденсатору СX образцового конденсатора СO с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов t2, не меняя при этом значение сопротивления R резистора, напряжения зарядного источника Е и заранее принятого порогового значения напряжения U0 на обкладках этих конденсаторов СX и СO. С помощью ключа К1 (фиг. 1) через резистор R в момент времени t=0 подают напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью СX. Напряжение U1(t) на конденсаторе СX, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2), с постоянной времени T1. Как только U1(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью СX и подключают к нему параллельно с помощью ключа K2 образцовый конденсатор с емкостью СO. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t=0 напряжение Е на параллельно соединенные конденсаторы СX и СO. Напряжение U2(t) на их обкладках начинает нарастать по более пологой экспоненте (фиг. 2), с постоянной времени Т2.
Как только U2(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t2. Измеряемую емкость вычисляют по формуле:
где СO - емкость образцового конденсатора;
t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СX до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;
t2 - время заряда параллельной цепи из конденсаторов СX и СO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках.
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 СX, на результат измерения, т.е. на повышение 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 CX (Полулях К.С. Резонансные методы измерений. - М.: Энергия, 1980. - 120 с.);
- способы измерения параметров RC-генератора, содержащего во времязадающей цепи измеряемый конденсатор CX (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 CX 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 CX; 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 CX, на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости.
Технический результат достигается тем, что на измеряемый конденсатор CX 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 отключают источник постоянного напряжения Е, разряжают конденсатор CX, подключают параллельно ему образцовый конденсатор с известной емкостью CO, снова подают через тот же резистор R постоянное напряжение Е и измеряют время t2 заряда этих конденсаторов до того же значения U0, после чего рассчитывают измеряемую емкость CX 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.
С помощью ключа К1 (фиг. 1) через резистор R в момент времени t=0 подают напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью CX. Напряжение U1(t) на конденсаторе CX, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2):
с постоянной времени Т1=R⋅Сх.
Как только U1(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью CX и подключают к нему параллельно с помощью ключа K2 образцовый конденсатор с емкостью CO. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t=0 напряжение Е на параллельно соединенные конденсаторы CX и CO.
Напряжение U2(t) на их обкладках начинает нарастать по более пологой экспоненте (фиг. 2) с постоянной времени Т2=R⋅(CX+CO):
Как только U2(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t2. 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 CX, 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).
Если предлагаемый способ будет реализован на базе микроконтроллера, то интервал времени, необходимый для его осуществления, т.е. для измерения t1 и t2 и расчета CX 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 K2 подключить CO параллельно к CX, подать напряжение Е через резистор R и ключ К1 на эти конденсаторы; при достижении U2(t) значения U0 зафиксировать t2; отключить Е; ключом К3 разрядить конденсаторы CX и CO; отсоединить CO от CX; подать Е на CX; при достижении U1(t) 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 CO с целью повышения чувствительности предлагаемого способа, исходя из общеизвестных положений метрологии, следует брать соизмеримым с предполагаемым значением измеряемой емкости CX, что обеспечивает измерения как t1, так и t2 в равноточных условиях. Исходя из этого, можно рекомендовать CO=(0,1…10)CX.
Измерение интервалов времени t1 и t2 возможно с применением любых известных средств как в цифровом, так и аналоговом исполнении и имеющем порог чувствительности, позволяющий проводить измерение емкости в соответствующих пределах. Чем выше чувствительность, тем меньше значение CX, 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 10мс 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 UO, на выходе компаратора напряжение станет низким, что остановит работу секундомера и позволит снять его показания.
Как видно из представленной таблицы, изменение U0 с 5В до 7,5В (опыты №1 и №2), изменение Е с 10В до 20В (опыты №2 и №3), изменения R с 102 кОм до 152 кОм практически не повлияли на точность измерения, относительная погрешность измерения электрической емкости с применением предложенного способа не превысила 1%.
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 после подключения параллельно к измеряемому конденсатору образцового конденсатора с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов, не меняя при этом значение сопротивления резистора, напряжения зарядного источника и заранее принятого порогового значения напряжения на обкладках этих конденсаторов, и измеряемую емкость вычисляют по формуле:
- где CO - емкость образцового конденсатора;
- t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СХ до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;
- t2 - время заряда параллельной цепи из конденсаторов СХ и CO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017100189A RU2660283C1 (ru) | 2017-01-09 | 2017-01-09 | Способ измерения электрической емкости |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017100189A RU2660283C1 (ru) | 2017-01-09 | 2017-01-09 | Способ измерения электрической емкости |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2660283C1 true RU2660283C1 (ru) | 2018-07-05 |
Family
ID=62815943
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017100189A RU2660283C1 (ru) | 2017-01-09 | 2017-01-09 | Способ измерения электрической емкости |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2660283C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2800808C1 (ru) * | 2022-12-26 | 2023-07-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ измерения электрической емкости |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4184112A (en) * | 1978-03-03 | 1980-01-15 | Cox Elbert W | Capacitor testing apparatus |
RU2008690C1 (ru) * | 1992-07-17 | 1994-02-28 | Серпуховское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Ленинского комсомола | Способ измерения электрической емкости и индуктивности |
US20100321040A1 (en) * | 2009-06-22 | 2010-12-23 | Mitsubishi Electric Corporation | Capacitor capacitance diagnosis device and electric power apparatus equipped with capacitor capacitance diagnosis device |
RU2577803C1 (ru) * | 2014-08-29 | 2016-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Способ измерения электрической емкости и устройство для его осуществления |
-
2017
- 2017-01-09 RU RU2017100189A patent/RU2660283C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4184112A (en) * | 1978-03-03 | 1980-01-15 | Cox Elbert W | Capacitor testing apparatus |
RU2008690C1 (ru) * | 1992-07-17 | 1994-02-28 | Серпуховское высшее военное командно-инженерное училище ракетных войск им.Ленинского комсомола | Способ измерения электрической емкости и индуктивности |
US20100321040A1 (en) * | 2009-06-22 | 2010-12-23 | Mitsubishi Electric Corporation | Capacitor capacitance diagnosis device and electric power apparatus equipped with capacitor capacitance diagnosis device |
RU2577803C1 (ru) * | 2014-08-29 | 2016-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева" | Способ измерения электрической емкости и устройство для его осуществления |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2800808C1 (ru) * | 2022-12-26 | 2023-07-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Способ измерения электрической емкости |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103063920B (zh) | 用源测量单元进行的低频阻抗测量 | |
CN105078416A (zh) | 一种电子体温计及其控制方法 | |
RU2660283C1 (ru) | Способ измерения электрической емкости | |
RU2645130C1 (ru) | Способ измерения электрической емкости | |
RU2647564C1 (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 | |
CN111220901A (zh) | 运放测试系统和方法 | |
JP3583540B2 (ja) | 容量性素子の等価直列抵抗測定方法および等価直列抵抗測定装置 | |
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 | |
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 | |
RU2774047C1 (ru) | Устройство измерения емкости для встраиваемых систем управления | |
RU2616871C1 (ru) | Способ определения напряжения локализации тока в мощных вч и свч биполярных транзисторах | |
RU2563315C1 (ru) | Микроконтроллерный измерительный преобразователь с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции | |
RU2714954C1 (ru) | Способ определения параметров многоэлементных двухполюсников | |
RU2594376C1 (ru) | Способ измерения постоянной времени саморазряда конденсаторов | |
RU2591877C2 (ru) | Мостовой измеритель параметров двухполюсников | |
RU2586457C1 (ru) | Способ определения составляющих импеданса биообъекта | |
RU2690865C1 (ru) | Способ измерения сопротивления изоляции электрической цепи | |
Bergsten et al. | Determining voltage dependence of the phase response in voltage dividers | |
RU2506599C1 (ru) | Микроконтроллерный измерительный преобразователь с уравновешиванием резистивного моста | |
SU535840A1 (ru) | Цифровой мегомметр | |
RU2552749C1 (ru) | Микроконтроллерный измерительный преобразователь с функцией измерения тока в цепи резистивного датчика | |
CN111417859A (zh) | 负载阻抗测试器及测量方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190110 |