SU1725158A1 - Способ измерени емкости и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано в средствах измерени  электрической величины емкости. Цель изобретени  - повышение точности измерени  за счет увеличени  длительности переходного апериодического процесса зар да измер емой емкости на участке с наибольшей крутизной и за счет автоматического совмещени  начала зар да емкости с началом импульсной последовательности, характеризующей измер емую величину. Зар д емкости до уровн  срабатывани  блока 4 сравнени  осуществл ют калиброванными по амплитуде импульсами пр моугольной формы, количество которых характеризует измер емую величину. Регулиру  частоту длительности импульсов, можно мен ть интервал времени зар да емкости в соответствии с быстродействием блока 4 сравнени , выбирал соответствующий уровень можно задавать рабочую точку, на самом крутом участке кривой зар да. Устройство содержит генератор 1 пр моугольных импульсов, калибратор 2 амплитуды, переключатель 3 диапазонов, блок 4 сравнени , измерительную цепь 5, операционный усилитель 6, устройство 7 сброса, отсчетный блок 8, индикатор 9. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. со С

Description

Изобретение относитс  к электроизмерительной технике и может быть использовано в средствах измерени  электрической величины емкости.

Известен метод измерени  емкости, основанный на измерении интервала времени между началом апериодического процесса затухани  на измерительной RC- цепи, когда напр жение равно U0, и моментом , когда напр жение уменьшаетс  до

U1 --- ( Don ) . Интервал времени заполн етс  квантующими импульсами Т0, количество которых пропорционально

.R С

измер емой емкости .

lo о

Количество импульсов подсчитываетс  счетчиком импульсов, отградуированным в единицах измерени  емкости.

Недостатком данного метода  вл етс  наличие погрешности, вызванной ограниченной разрешающей способностью блока сравнени , конечным значением его быстродействи , несинхронностью начала и конца процесса зар да емкости с началом и концом импульсной последовательности, определ ющей временной интервал.

Известен способ дл  определени  величины емкости, основанный на измерении первого периода времени зар да через ре- зистивную цепь конденсатора известной емкости до напр жени  срабатывани  одного триггер и измерении второго периода времени зар да через подобную резистив- ную цепь конденсатора неизвестной емкости до напр жени  срабатывани  второго триггера с дальнейшим вычислением емкости второго конденсатора с учетом первого и второго периодов времени и емкости первого конденсатора.

Недостатком данного способа  вл етс  удвоенна  погрешность от измерени  первого и второго периодов времени, обуслов- ленна  ограниченной разрешающей способностью первого и второго триггеров, конечным значением их быстродействи .

Известно устройство дл  определени  величины емкости, содержащее два двухпо люсных переключател , две измерительные цепи, два элемента сравнени  уровней напр жени  в виде двух триггеров и стандартный прибор дл  измерени  периодов времени (осциллограф или частотомер),

Известное устройство предусматривает двукратное измерение емкости, что ведет к значительному увеличению объективной и субъективной погрешности. Необходимость дополнительного расчета дл  определени  измер емой величины затрудн ет процесс автоматизации процесса измерени .

Уменьшаетс  точность измерени  за счет невозможности полной синхронизации моментов срабатывани  двух переключателей с началом и концом измер емых периодов

времени.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  способ измерени  электрических величин активного сопротивлени , индуктивности и емкости,

0 заключающийс  в том, что преобразуют измер емую величину первого элемента последовательной активно-индуктивной или активно-емкостной измерительной цепи, величина второго элемента которой извест5 на, во временной интервал, св занный с началом апериодического процесса установлени  напр жени  посто нного тока на элементах цепи, по длительности которого суд т об измер емой величине, при

0 этом временной интервал ограничивают моментом равенства абсолютных значений напр жений на элементах измерительной цепи, причем по моменту равенства этих напр жений определ ют момент равенства

5 нулю суммы напр жений на элементах цепи относительно их общего вывода.

Недостатком этого способа  вл етс  наличие погрешности измерени , обусловленной ограниченным быстродействием

0 элемента сравнени  (сумматора), отслеживающего момент равновеси  в процессе с большой крутизной. Снижение погрешности за счет увеличени  крутизны изменени  суммарного напр жени  на входе блока

5 сравнени  находитс  в противоречии с возможностью блока сравнени  зафиксировать момент равновеси  быстро измен ющихс  уровней входных напр жений из-за конечного значени  его быстродействи .

0 Известно устройство, прин тое за прототип , содержащее источник напр жени  посто нного тока, ключ, измерительную . цепь, сумматор, измеритель, детектор изменени  знака, отсчетный блок и блок управ5 лени .

Известное устройство не обеспечивает достаточно высокую точность измерени  из- за ограниченного быстродействи  сумматора , кроме того, включение между блоком

Q сравнени  и отсчетным блоком усилител  и детектора вносит погрешность от задержки при передаче сигнала на остановку счета в отсчетный блок. Дополнительную погрешность вызывает невозможность жесткой

5 синхронизации моментов начала зар да емкости и начала отсчета временного интервала .

Цель изобретени  - повышение точности измерени  за счет увеличени  длительности переходного апериодического

процесса зар да измер емой емкости на участке с наибольшей крутизной и за счет автоматического совмещени  начала зар да емкости с началом импульсной последовательности , характеризующей измер емую величину.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что приспособе, заключающемс  в том, что преобразуют измер емое значение емкости первого элемента последовательной активно-емкостной измерительной цепи, величина второго элемента которой известна, во временной интервал между началом апериодического процесса установлени  напр жени  зар да емкости и момент совпадени  напр жени  на измер емой емкости с опорным уровнем, причем процесс зар да осуществл ют калиброванными по амплитуде импульсами пр моугольной формы, количество которых характеризует измер емую величину .

Кроме того, в устройство, содержащее измерительную цепь, выполненную в виде последовательно соединенных активного сопротивлени  и емкости и отсчетный блок, введены генератор пр моугольных импульсов, калибратор амплитуды, переключатель диапазонов, устройство сравнени , операционный усилитель, устройство сброса и индикатор, причем выход генератора пр моугольных импульсов соединен с входом калибратора амплитуды , выход которого соединен с первым входом переключател  диапазонов, первый выход которого соединен с первым входом операционного усилител  и с первым входом измерительной цепи, выход которой соединен с первым входом устройства сравнени , на второй вход которого подаетс  Uon, а выход соединен с вторым входом переключател  диапазонов, второй вход которого соединен с вторым входом операционного усилител , выход которого соединен с входом отсчетного блока и с первым входом устройства сброса, первый выход кото- рого соединен с вторым входом измерительной цепи, а второй выход которого соединен с первым входом индикатора и вторым входом отсчетного блока, выход которого соединен с вторым входом индикатора .

На фиг. 1 приведены временные диаграммы процесса измерени ; на фиг. 2 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 - функциональна  схема устройства.

В известном способе снижени  погрешности измерени  из-за конечного значени  разрешающей способности блока сравне- ни  добиваютс  путем увеличени  крутизны

изменени  входного напр жени , но при этом скорость изменени  напр жени  зависит от величины элементов измерительной цепи и ограничиваетс  конечным значением

быстродействи  элементов сравнени .

Способ позвол ет снизить погрешность измерени  из-за конечного значени  разрешающей способности блока сравнени  путем выбора точки срабатывани  блока сравнени  на самом крутом участке кривой зар да измер емой емкости и одновременно устранить погрешность измерени  из-за ограниченного быстродействи  блока сравнени  за счет возможности регулировани  интервала времени зар да. Способ заключаетс  в следующем.- При поступлении на измерительную цепь калиброванных по амплитуде импульсов (фиг. 1а) происходит зар д контролируемой емкости. Каждый импульс зар жает емкость до определенного уровн  (ступенька , фиг. 16). Зар д емкости происходит до величины, равной Don. Врем  зар да пропорционально величине измер емой емкости и определ етс  количеством импульсов, поступающих на измерительную цепь, их длительностью. Величина емкости определ етс  отношением

30

r ru N СR

где ти - длительность тактовых импульсов; R - сопротивление измерительной RCцепи;

N - количество импульсов, необходимое дл  зар да емкости до величины Don.

Выбира  амплитуду, регулиру  частоту и длительность импульсов, а также устанавлива  соответствующее Upn, можно задать точку равенства Ооп и Узар да емкости (уровень срабатывани  элемента сравнени ) на самом крутом участке кривой зар да и отрегулировать скорость зар да емкости в соответствии с быстродействием устройства сравнени .

Кроме того, начало процесса зар да автоматически совпадает с началом импульсной последовательности, количество

импульсов в которой характеризует измер емую емкость.

Устройство измерени  емкости содержит (фиг. 2) генератор 1 пр моугольных им- пульсов, калибратор 2 амплитуды,

переключатель 3 диапазонов, устройство 4 сравнени , измерительную цепь 5, операционный усилитель 6, устройство 7 сброса, счетный блок 8 и индикатор 9. Выход генератора 1 соединен с входом калибратора 2 амплитуды, выход которого соединен с первым входом переключател  диапазонов 3. Первый выход переключател  3 диапазонов соединен с первыми входами операционного усилител  6 и измерительной цепи

5.Второй вход измерительной цепи 5 соединен с первым выходом устройства 7. Выход измерительной цепи 5 соединен с первым входом устройства 4 сравнени , на второй вход которого поступает опорное напр жение Don. Выход устройства 4 сравнени  соединен с вторым входом переключател  3 диапазонов , второй вход которого соединен с вторым входом операционного усилител  6. Выход последнего соединен с первым входом счетного блока 8 и с входом устройства 7 сброса, второй выход которого соединен с первым входом индикатора 9 и с вторым входом счетного блока 8. Выход последнего соединен с вторым входом индикатора 9.

На фиг. 3 приведена функциональна  схема устройства измерени  емкости, показаны радиоэлементы, на которых построены блоки 2-5 и 7, и св зи между ними. Генератор 1 пр моугольных импульсов через разделительный конденсатор С1 соединен с входом калибратора 2 амплитуды. Калибратор амплитуды состоит из дифференциального усилител  на транзисторах VT1 и VT2, в коллекторы которых включены нагрузочные резисторы R2 и R4. Эмиттеры транзисторов VT1 и VT3 соединены и подключены к общей нагрузке R3. Базы транзисторов VT1, VT2 через резисторы соединены с общей цепью. Выходы дифференциального усилител  через конденсаторы С2-. СЗ подключены к управл ющим диодам диодного коммутатора на диодах VD 1-VD 4. Аноды диодов VD 1, VD 3 соединены и через резистор R6 подключены к шине +15 В, катоды диодов VD 2 и VD 4 соединены и подключены через резистор R7 к шине-15 В. К аналоговому входу диодного коммутаторов через резистор R8 подаетс  опорное напр жение Uoni, величина которого определ етс  стабилитроном VD 5. Выход диодного коммутатора соединен с входом переключател  3 диапазонов, собранного на переключателе S1. Диапазон измерени  емкости выбираетс  с помощью резисторов R10-R14, соединенных через ограничительный резистор R16 с неинвертирующим входом операционного усилител 

6.Обща  точка резисторов R10-R14 соединена с калиброванным резистором R17, вход щим в измерительную цепь 5, и с инвертирующим входом операционного усилител  6. Второй конец R17 соединен с анодом зар дного диода VD 7. Катод зар дного диода VD 7 соединен с контролируемой

емкостью Сх и с неинвертирующим входом компаратора D1 устройства 4 сравнени . Инвертирующий вход компаратора D1 соединен с опорным стабилитроном VD 6 и через резистор R15 с шиной +15 В. На стабилитроне VD 6 формируетс  Don. Выход компаратора D1 через резистор R9 соединен с базой транзистора VT3, эмиттер которого соединен с общей цепью, а коллектор

0 с общей точкой R10-R14. Выход операционного усилител  6 соединен с входом счетного блока 8 и анодом диода VD 9, расположенным на входе устройства 7 сброса . Катод диода VD 9 соединен с неинверти5 рующим входом компаратора D2, зар дным конденсатором С4,резистором R19, второй выход которого соединен с общей цепью. Выход компаратора D2 соединен с входом одновибратора D3, выход которого соеди0 нен с цеп ми сброса счетного блока 8 и индикатора 9, а через резистор R20 соединен с базой транзистора VT4. Эмиттер VT4 через резистор R18 соединен с шиной -15 В, а через диод VD 8 - с общей цепью. Коллек5 тор VT4 соединен с измер емой емкостью Сх измерительной цепи 5.

Устройство измерени  емкости работает следующим образом,

Импульсы пр моугольной формы (фиг.

0 1а) с генератора 1 через разделительный конденсатор С1 поступают на вход дифференциального усилител  на транзисторах VT1, VT2. С коллектора транзистора VT1 импульсы отрицательной пол рности через

5 разделительный конденсатор С2 подаютс  на аноды диодов VD 1, VD 3. С коллектора транзистора VT2 импульсы положительной пол рности через разделительный конденсатор СЗ подаютс  на катоды диодов VD 2,

0 VD 4. Диоды VD 1-VD 4 образуют диодный коммутатор, с помощью которого формируютс  импульсы напр жени , равные по амплитуде напр жению прецизионного стабилитрона VD 5. В исходном состо нии

5 импульсы с дифференциального усилител  на диодный коммутатор не подаютс , коммутатор открыт. Через диоды коммутатора протекает ток с шины +15 В, через резистор R6, открытые диоды VD 1-VD 4, через резиQ стор Rf на шину -15 В. При использовании в коммутаторе диодной матрицы, в которой диоды имеют близкие вольт-амперные характеристики , величины напр жени  в точках U, К равны. Напр жение на выходе

5 коммутатора в точке К равно нулю.

При поступлении на аноды диодов VD 1, VD 3 отрицательного импульса, а на катоды диодов VD 2, VD 4 положительного импульса , диоды закрываютс  и напр жение в точке К становитс  равным напр жению на

стабилитроне VD 5. Таким образом, в точке К формируютс  импульсы напр жени  калиброванной амплитуды, величина которой равна напр жению стабилизации стабилитронов VD 5.

Калиброванные по амплитуде импульсы через переключатель S1 поступают на один из резисторов В10-Р 14ичерезобщий резистор R17, зар дный диод VD 7 подаютс  на измер емую емкость Сх и зар жают ее (фиг. 16). Зар д емкости Сх (Ucx) происходит до величины напр жени , равной Don на стабилитроне VD 6. Сравнение напр жени  на емкости Сх и стабилитроне VD 6 производитс  с помощью компаратора D1. Врем  зар да емкости пропорционально величине этой емкости, количеству импульсов, зар жающих ее, и их длительности. Сопротивление цепи зар да емкости состоит из одного из резисторов R10-R14, выбор которых производитс  в зависимости от величины Сх и резистора R17.

При равенстве Uon и Ucx на выходе компаратора D1 образуетс  положительный перепад напр жени , который открывает транзистор VT3. Открытый транзистор VT3 шунтирует выход пр моугольных импульсов напр жени  в точке соединени  R10-R14, и дальнейший зар д емкости Сх прекращаетс ..

Импульсное напр жение, снимаемое с резистора R17, подаетс  на дифференциальные входы операционного усилител  6, на выходе которого формируетс  пачка импульсов . Количество импульсов в пачке пропорционально величине Сх.

С выхода операционного усилител  6 пачка импульсов (фиг. 1в) подаетс  на вход счетного блока 8, с выхода которого результат подаетс  на индикатор 9.

Дл  формировани  импульса сброса пачка импульсов с выхода операционного усилител  6 через зар дный диод VD 9 подаетс  на зар дную емкость С4, на которой формируетс  импульс напр жени , соответствующий огибающей пачке импульсов (фиг. 1 г). Формирование крутых фронтов огибающей пачки импульсов производитс  с помощью компаратора D2. Задним фронтом импульса огибающей запускаетс  одновиб- ратор D3, на выходе которого формируетс  импульс сброса (фиг. 1д) положительной пол рности , который через резистор R20 открывает транзистор VT4 и переводит блок и индикатор в исходное состо ние. Через открытый транзистор VT4 и резистор R18 производитс  разр д емкости Сх. Восстанавливаетс  исходное состо ние устройства.

Использование изобретени  позвол ет повысить точность измерени  емкости

в 3-5 раз, так как предлагаемый способ дает возможность регулировать точность измерени  за счет выбора точки срабатывани  устройства сравнени  и за счет согласовани  времени зар да емкости Сх с быстродействием устройства сравнени , т.е. устранить из общей погрешности измерени  погрешность от ограничени  быстродействи  элемента сравнени .

0

Claims (2)

1.Способ измерени  емкости, заключающийс  втом, что преобразуют измер емое значение емкости первого элемента после5 довательной активно-емкостной измерительной цепи - при известном значении второго элемента во временной интервал между началом апериодического процесса установлени  напр жени  зар да емкости и

0 моментом совпадени  напр жени  на измер емой емкости с опорным и его измерени , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени  за счет увеличени  длительности переходного процес5 са зар да на участке с наибольшей крутизной, апериодический процесс зар да емкости осуществл ют калиброванным по амплитуде импульсами пр моугольной формы , количество которых необходимо дл  за0 р да емкости до опорного напр жени .

2.Устройство дл  измерени  емкости, содержащее измерительную цепь, выполненную в виде последовательно соединенных активного сопротивлени  и емкости,

5 счетный блок, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени  за счет увеличени  длительности переходного процесса зар да на участке с наибольшей крутизной, в него введены

0 генератор пр моугольных импульсов, калибратор амплитуды, переключатель диапазонов , блок сравнени , операционный усилитель, блок сброса и индикатор, причем выход генератора пр моугольных им5 пульсов соединен с входом калибратора амплитуды, выход которого соединен с первым входом переключател  диапазонов , первый выход которого соединен с первым входом операционного усилител 

Q и с первым входом измерительной цепи, выход которой соединен с первым входом блока сравнени , второй вход которого соединен с источником опорного напр жени , а выход соединен с вторым входом

е переключател  диапазонов, второй выход которого соединен с вторым входом операционного усилител , выход которого соединен с входом счетного блока и с первым входом блока сброса, первый выход которого соединен с вторым входом измерительной цепи , а второй выход которого соединен с пер- счетного блока, выход которого соединен с вым входом индикатора и вторым входом вторым входом индикатора.

Фиъ1