Способ измерения емкости и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в средствах измерения электрической величины емкости. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет увеличения длительности переходного апериодического процесса заряда измеряемой емкости на участке с наибольшей крутизной и за счет автоматического совмещения начала заряда емкости с началом импульсной последовательности, характеризующей измеряемую величину. Заряд емкости до уровня срабатывания блока 4 сравнения осуществляют калиброванными по амплитуде импульсами прямоугольной формы, количество которых характеризует измеряемую величину. Регулируя частоту длительности импульсов, можно менять интервал времени заряда емкости в соответствии с быстродействием блока 4 сравнения, выбирал соответствующий уровень можно задавать рабочую точку, на самом крутом участке кривой заряда. Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, калибратор 2 амплитуды, переключатель 3 диапазонов, блок 4 сравнения, измерительную цепь 5, операционный усилитель 6, устройство 7 сброса, отсчетный блок 8, индикатор 9. 2 с.п.ф-лы, 3 ил. со С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 R 27/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг. 2 (21) 4768532/21 (22) 11;12.89 (46) 07.04.92.Бюл. ¹ 13 (71) Научно-исследовательский технологический институт приборостроения (72) В.Г.Манохин, B.М.Бояринов и Г.Н.Якименко (53) 621,317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1075192, кл. G 01 R 27/26, 1984. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в средствах измерения электрической величины емкости. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет увеличения длительности переходного апериодического процесса заряда измеряемой емкости на участке с наибольшей кру.. Ж 1725158 А1 тизной и за счет автоматического совмещения начала заряда емкости с началом импульсной последовательности, характеризующей измеряемую величину. Заряд емкости до уровня срабатывания блока 4 сравнения осуществляют калиброванными по амплитуде импульсами прямоугольной формы, количество которых характеризует измеряемую величину, Регулируя частоту длительности импульсов, можно менять интервал времени заряда емкости в соответствии с быстродействием блока 4 сравнения, выбирал соответствующий уровень можно задавать рабочую точку, на самом крутом участке кривой заряда. Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, калибратор 2 амплитуды, переключатель 3 диапазонов, блок 4 сравнения, измерительную цепь 5, операционный усилитель 6, устройство 7 сброса, отсчетный блок 8, индикатор 9. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1725158

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в средствах измерения электрической величины емкости.

Известен метод измерения емкости, 5 основанный на измерении интервала времени между началом апериодического процесса затухания на измерительной RCцепи, когда напряжение равно 0О, и моментом, когда напряжение уменьшается до 10

U1 = (Uon ) . Интервал времени заполU о ! няется квантующими импульсами То, количество которых пропорционально

RxC 15 измеряемой емкости Nx = т.

Количество импульсов подсчитывается счетчиком импульсов, отградуированным в единицах измерения емкости.

Недостатком данного метода является 20 наличие погрешности, вызванной ограниченной разрешающей способностью блока сравнения, конечным значением его быстродействия, несинхронностью начала и конца процесса заряда емкости с началом и 25 концом импульсной последовательности, определяющей временной интервал.

Известен способ для определения величины емкости, основанный на измерении первого периода времени заряда через ре- 30 зистивную цепь конденсатора известной емкости до напряжения срабатывания одного триггер и измерении второго периода времени заряда через подобную резистивную цепь конденсатора неизвестной емко- 35 сти до напряжения срабатывания второго триггера с дальнейшим вычислением емкости второго конденсатора с учетом первого и второго периодов времени и емкости первого конденсатора. 40

Недостатком данного способа является удвоенная погрешность от измерения первого и второго периодов времени, обусловленная ограниченной разрешающей способностью первого и второго триггеров, 45 конечным значением их быстродействия.

Известно устройство для определения величины емкости, содержащее два двухполюсных переключателя, две измерительные цепи, два элемента сравнения уровней на- 50 пряжения в виде двух триггеров и стандартный прибор для измерения периодов времени (осциллограф или частотомер), Известное устройство предусматривает двукратное измерение емкости, что ведет к значительному увеличению объективной и субъективной погрешности, Необходимость дополнительного расчета для определения измеряемой величины затрудняет процесс автоматизации процесса измерения.

Уменьшается точность измерения за счет невозможности полной синхронизации моментов срабатывания двух переключателей с началом и концом измеряемых периодов времени.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения электрических величин активного сопротивления, индуктивности и емкости, заключающийся в том, что преобразуют измеряемую величину первого элемента последовательной активно-индуктивной или активно-емкостной измерительной цепи, величина второго элемента которой известна, во временной интервал, связанный с началом апериодического процесса установления напряжения постоянного тока на элементах цепи, по длительности которого судят об измеряемой величине, при этом временной интервал ограничивают моментом равенства абсолютных значений напряжений на элементах измерительной цепи, причем по моменту равенства этих напряжений определяют момент равенства нулю суммы напряжений на элементах цепи относительно их общего вывода.

Недостатком этого способа является наличие погрешности измерения, обусловленной ограниченным быстродействием элемента сравнения (сумматора), отслеживающего момент равновесия в процессе с большой крутизной. Снижение погрешности за счет увеличения крутизны изменения суммарного напряжения на входе блока сравнения находится в противоречии с возможностью блока сравнения зафиксировать момент равновесия быстро изменяющихся уровней входных напряжений из-за конечного значения его быстродействия.

Известно устройство, принятое за прототип, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ, измерительную цепь, сумматор, измеритель, детектор изменения знака, отсчетный блок и блок управления.

Известное устройство не обеспечивает достаточно высокую точность измерения изза ограниченного быстродействия сумматора, кроме того,.включение между блоком сравнения и отсчетным блоком усилителя и детектора вносит погрешность от задержки при передаче сигнала на остановку счета в отсчетный блок. Дополнительную погрешность вызывает невозможность жесткой синхронизации моментов начала заряда емкости и начала отсчета временного интервала, Цель изобретения — повышение точности измерения за счет увеличения длительности переходного апериодического

1725158 предлагаемый способ; на фиг. 3 — функцио- 55 нальная схема устройства.

В известном способе снижения погреш- ности измерения из-за конечного значения разрешающей способности блока сравнения добиваются путем увеличения крутизны процесса заряда измеряемой емкости на участке с наибольшей крутизной и за счет автоматического совмещения начала заряда емкости с началом импульсной последовательности, характеризующей измеряемую величину.

Поставленная цель достигается тем, что при способе, заключающемся в том, что преобразуют измеряемое значение емкости первого элемента последовательной активно-емкостной измерительной цепи, величина второго элемента которой известна, во временной интервал между началом апериодического процесса установления напряжения заряда емкости и момент совпадения напряжения на измеряемой емкости с опорным уровнем, причем процесс заряда осуществляют калиброванными по амплитуде импульсами прямоугольной формы, количество которых характеризует измеряемую величину.

Кроме того, в устройство, содержащее измерительную цепь, выполненную в виде последовательно соединенных активного сопротивления и емкости и отсчетный блок, введены генератор прямоугольных импульсов, калибратор амплитуды, переключатель диапазонов, устройство сравнения, операционный усилитель, устройство сброса и индикатор, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом калибратора амплитуды, выход которого соединен с первым входом переключателя диапазонов, первый выход которого соединен с первым входом операционного усилителя и с первым входом измерительной цепи, выход которой соединен с первым входом устройства сравнения, на второй вход которого подается U«, а выход соединен с вторым входом переключателя диапазонов, второй вход которого соединен с вторым входом операционного усилителя, выход которого соединен с входом отсчетного блока и с первым входом устройства сброса, первый выход которого 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 измерения; на фиг. 2— блок-схема устройства, реализующего

50 изменения входного напряжения, но при этом скорость изменения напряжения зависит от величины элементов измерительной цепи и ограничивается конечным значением быстродействия элементов сравнения.

Способ позволяет снизить погрешность измерения из-за конечного значения разрешающей способности блока сравнения путем выбора точки срабатывания блока сравнения на самом крутом участке кривой заряда измеряемой емкости и одновременно устранить погрешность измерения из-за ограниченного быстродействия блока сравнения эа счет возможности регулирования интервала времени заряда.

Способ заключается в следующем:

При поступлении на измерительную цепь калиброванных по амплитуде импульсов (фиг. 1а) происходит заряд контролируемой емкости. Каждый импульс заряжает емкость до определенного уровня (ступенька, фиг. 1б). Заряд емкости происходит до величины, равной 0О . Время заряда пропорционально величине измеряемой емкости и определяется количеством импульсов, поступающих на измерительную цепь, их длительностью, Величина емкости определяется отношением

С

R где т, — длительность тактовых импульсов;

R — сопротивление измерительной RCцепи;

N — количество импульсов, необходимое для заряда емкости до величины Upp.

Выбирая амплитуду, регулируя частоту и длительность импульсов, а также устанавливая соответствующее Up<, можно задать точку равенства Upn и 0заряда емкости (уровень срабатывания элемента сравнения) на самом крутом участке кривой заряда и отрегулировать скорость заряда емкости в соответствии с быстродействием устройства сравнения.

Кроме того, начало процесса заряда автоматически совпадает с началом импульсной последовательности, количество импульсов в которой характеризует измеряемую емкость.

Устройство измерения емкости содержит (фиг. 2) генератор 1 прямоугольных импульсов, калибратор 2 амплитуды, переключатель 3 диапазонов, устройство 4 сравнения, 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 пер1725158 вым входом переключателя диапазонов 3.

Первый выход переключателя 3 диапазонов соединен с первыми входами операционного усилителя 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 сравнения, на второй вход которого поступает опорное напряжение U«. Выход устройства 4 сравне.ния соединен с вторым входом переключателя 3 диапазонов, второй вход которого соединен с вторым входом операционного усилителя 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 функциональная схема устройства измерения емкости, показаны радиоэлементы, на которых построены блоки 2 — 5 и 7, и связи между ними.

Генератор 1 прямоугольных импульсов через разделительный конденсатор С1 соединен с входом калибратора 2 амплитуды.

Калибратор амплитуды состоит из дифференциального усилителя на транзисторах

VT1 и VT2, в коллекторы которых включены нагрузочные резисторы R2 и R4. Эмиттеры транзисторов VT1 и VTÇ соединены и подключены к общей нагрузке RÇ. Базы транзисторов VT1, VT2 через резисторы соединены с общей цепью. Выходы дифференциального усилителя через конденсаторы С2. СЗ подключены к управляющим 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 подается опорное напряжение Uo<>, величина которого определяется стабилитроном VD 5. Выход диодного коммутатора соединен с входом переключателя 3 диапазонов, собранного на переключателе S1. Диапазон измерения емкости выбирается с помощью резисторов R10 — R14, соединенных через ограничительный резистор Я16 с неинвертирующим входом операционного усилителя

6. Общая точка резисторов R10-R14 соединена с калиброванным резистором R17, входящим в измерительную цепь 5, и с инвертирующим входом операционного усилителя 6. Второй конец R17 соединен с анодом зарядного диода VD 7. Катод зарядного диода VD 7 соединен с контролируемой

55 емкостью Сх и с неинвертирующим входом компаратора D1 устройства 4 сравнения.

Инвертирующий вход компаратора 01 соединен с опорным стабилитроном VD 6 и через резистор R15 с шиной +15 В. На стабилитроне VD 6 формируется 0». Выход компаратора D1 через резистор R9 соединен с базой транзистора VTÇ, эмиттер которого соединен с общей цепью, а коллектор — с общей точкой R10-R14. Выход операционного усилителя 6 соединен с входом счетного блока 8 и анодом диода VD 9, расположенным на входе устройства 7 сброса. Катод диода VD 9 соединен с неинвертирующим входом компаратора 02, зарядным конденсатором С4, резистором R19, второй выход которого соединен с общей цепью.

Выход компаратора D2 соединен с входом одновибратора DÇ, выход которого соединен с цепями 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 ЧО 8 — с общей цепью. Коллектор VT4 соединен с измеряемой емкостью

Сх измерительной цепи 5.

Устройство измерения емкости работает следующим образом.

Импульсы прямоугольной формы (фиг.

1а) с генератора 1 через разделительный конденсатор С1 поступают на вход дифференциального усилителя на транзисторах

VT1, VT2. С коллектора транзис ора VT1 импульсы отрицательной полярности через разделительный конденсатор С2 подаются на аноды диодов VD 1, VD 3. С коллектора транзистора VT2 импульсы положительной полярности через разделительный конденсатор С3 подаются на катоды диодов VD 2, VD 4, Диоды VD 1 — VD 4 образуют диодный коммутатор, с помощью которого формируются импульсы напряжения, равные по амплитуде напряжению прецизионного стабилитрона VD 5. В исходном состоянии импульсы с дифференциального усилителя на диодный коммутатор не подаются, коммутатор открыт. Через диоды коммутатора протекает ток с шины +15 В, через резистор

R6, открытые диоды VD 1 — VD 4, через резистор RI на шину -15 В, При использовании в коммутаторе диодной матрицы, в которой диоды имеют близкие вольт-амперные характеристики, величины напряжения в точках U, К равны. Напряжение на выходе 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 закрываются и напряжение в точке К становится равным напряжению на

9 1725158 10 стабилитроне VD 5. Таким образом, в точке

К формируются импульсы напряжения калиброванной амплитуды, величина которой равна напряжению стабилизации стабилитронов VD 5. 5

Калиброванные по амплитуде импульсы через переключатель $1 поступают на один из резисторов R10 — R14 и через общий резистор R17, зарядный диод VD 7 подаются на измеряемую емкость С» и заряжают ее (фиг.

1б). Заряд емкости С» (Uc») происходит до величины напряжения, равной U» на стабилитроне VD 6. Сравнение напряжения на емкости С» и стабилитроне VD 6 производится с помощью компаратора D1. Время заряда емкости пропорционально величине этой емкости, количеству импульсов, заряжающих ее, и их длительности..Сопротивление цепи заряда емкости состоит из одного из резисторов R10 — R14, выбор которых про- 20 изводится в зависимости от величины С» и резистора R17.

При равенстве Uo и U » на выходе компаратора D1 образуется положительный перепад напряжения, который открывает 25 транзистор VT3. Открытый транзистор VT3 шунтирует выход прямоугольных импульсов напряжения в точке соединения R10 — R14, и дальнейший заряд емкости С» прекращается, 30

Импульсное напряжение, снимаемое с резистора R17, подается на дифференциальные входы операционного усилителя 6, на выходе которого формируется пачка импульсов. Количество импульсов в пачке про- 35 порционально величине С».

С выхода операционного усилителя 6 пачка импульсов (фиг. 1в) подается на вход счетного блока 8, с выхода которого результат подается на индикатор 9. 40

Для формирования импульса сброса пачка импульсов с выхода операционного усилителя 6 через зарядный диод VD 9 подается на зарядную емкость С4, на которой формируется импульс напряжения, соответ- 5 ствующий огибающей пачке импульсов(фиг. .1 г). Формирование крутых фронтов огибающей пачки импульсов производится с по мощью компаратора D2. Задним фронтом импульса огибающей запускается одновиб- -0 ратор D3, на выходе которого формируется импульс сброса (фиг, 1д) положительной полярности, который через резистор R20 открывает транзистор VT4 и переводит блок и индикатор в исходное состояние. Через 55 открытый транзистор VT4 и резистор R18 производится разряд емкости С». Восстанавливается исходное состояние устройства.

Использование изобретения позволяет повысить точность измерения емкости в 3 — 5 раз, так как и редлагаемый способ дает возможность регулировать точность измерения за счет выбора точки срабатывания устройства сравнения и за счет согласования времени заряда емкости С» с быстродействием устройства сравнения, т.е. устранить из общей погрешности измерения погрешность от ограничения быстродействия элемента сравнения.

Формула изобретения

1, Способ измерения емкости, заключающийся в том, что преобразуют измеряемое значение емкости первого элемента последовател ьной активно-емкостной измерительной цепи — при известном значении второго элемента во временной интервал между началом апериодического процесса установления напряжения заряда емкости и моментом совпадения напряжения на измеряемой емкости с опорным и его измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения длительности переходного процесса заряда на участке с наибольшей крутизной, апериодический процесс заряда емкости осуществляют калиброванным по амплитуде импульсами прямоугольной формы, количество которых необходимо для заряда емкости до опорного напряжения.

2, Устройство для измерения емкости, содержащее измерительную цепь, выполненную в виде последовательно соединенных активного сопротивления и емкости, счетный блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения длительности переходного процесса заряда на участке с наибольшей крутизной, в него введены генератор прямоугольных импульсов, калибратор амплитуды, переключатель диапазонов, блок сравнения, операционный усилитель, блок сброса и индикатор, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом калибратора амплитуды, выход которого соединен с первым входом переключателя диапазонов, первый выход которого соединен с первым входом операционного усилителя и с первым входом измерительной цепи, выход которой соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом переключателя диапазонов, второй выход которого соединен с вторым входом операционного усилителя, выход которого соединен с входом счетного блока и с первым входом блока сброса, первый выход которого соединен с вторым входом измерительной це1725158

12 пи, а второй выход которого соединен с первым входом индикатора и вторым входом

4 a."

55 а) Оех им

2) 2./ счетного блока, выход которого соединен с вторым входом индикатора.

1725158

Редактор И.Шмакова

Заказ 1174 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета rio изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

l

1

l !

1 ! Сц

t

l !

Н )

-l

1

1

l

l !

Составитель B.Áoÿðèíoâ

Техред М.Моргентал Корректор ЭЛончакова