Способ измерения электрической емкости между двумя проводящими телами и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к измерению электрических величин, в частности емкости. Целью изобретения является повышение точности за счет устранения влияния паразитных емкостей. Поставленная цель достигается тем, что дополнительно перед началом измерения отключают измерительный шунт и формируют в цепи измеряемой емкости переменный компенсирующий ток, равный по частоте и противоположный по фазе току, протекающему в цепи, образованной измеряемой емкостью и паразитной емкостью между одним из тел и "землей", изменяют значение компенсирующего тока таким образом, чтобы результирующий ток в упомянутой цепи уменьшился до нуля, после чего вновь подключают измерительный шунт и в средней точке делителя измеряют напряжение, по которому и судят о величине измеряемой емкости. Устройство для реализации способа содержит генератор переменного напряжения 1, измерительный шунт 2, вольтметр 3 и вычислитель 4, управляемый ключ 5, компаратор 6, управляемый источник напряжения 7, преобразователь напряжение - емкость 8, конвертор отрицательного полного сопротивления 9 и блок управления 10. Управляемый источник напряжения содержит генератор однополярных прямоугольных импульсов 11, реверсивный счетчик 12 и цифроаналоговый преобразователь 13. 2 с.п.ф-лы, 5 ил.

Предлагаемый способ относится к измерению электрических величин, в частности емкости, и касается преимущественно измерения емкости между двумя проводящими телами произвольной конфигурации в условиях, когда одно из тел или оба тела имеют паразитную емкостную электрическую связь с "землей", причем величина паразитной емкости соизмерима или существенно превышает величину измеряемой емкости, например, при измерении электрической емкости между контактами коммутационных аппаратов в процессе их диагностирования.

Известен способ измерения электрической емкости (Хромой Б.П., Моисеев Ю. Г. Электрорадиоизмерения. М. : Радио и связь, 1985, с. 203), основанный на измерении частоты сигнала высокочастотного генератора, в частотно-задающую цепь которого включена измеряемая емкость. При этом значение измеряемой емкости определяется как функция частоты сигнала на выходе генератора.

Недостатками известного способа являются узкий диапазон измеряемых емкостей, а также высокая погрешность измерения, связанная с нестабильностью частоты генератора и нелинейностью его характеристики.

Известен также мостовой способ измерения емкости (см. там же с. 199), который основан на включении измеряемой емкости в состав одного из плеч измерительного моста, питаемого переменным током, с последующим определением емкости по величине напряжения в измерительной диагонали моста.

Основной недостаток этого способа - узкий диапазон измеряемых емкостей при неизменных параметрах элементов моста и, как следствие, сложность применения способа при динамических измерениях быстроизменяющейся во времени электрической емкости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является лишенный отмеченных недостатков способ измерения электрической емкости, реализованный, например, в устройстве, описанном в кн. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин, М.: Высш.шк., 1989, с. 302, рис. 13.18. Способ - прототип основан на измерении напряжения в средней точке делителя напряжения, образованного измеряемой емкостью и сопротивлением измерительного шунта и питаемого переменным напряжением. Значение измеряемой емкости вычисляется как функция от напряжения в средней точке делителя.

Недостатком данного способа так же, как и описанных выше аналогов, является низкая точность измерения в случае, если измеряемая емкость имеет существенную емкостную связь с землей, что характерно для системы тел, разнесенных на значительное расстояние друг от друга.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет исключения влияния паразитной емкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения электрической емкости между двумя проводящими телами, основанном на измерении напряжения в средней точке делителя, образованного измеряемой емкостью и сопротивлением измерительного шунта и питаемого переменным напряжением, причем о значении измеряемой емкости судят по величине напряжения в средней точке вышеупомянутого делителя, дополнительно перед началом измерения отключают измерительный шунт и формируют в цепи измеряемой емкости переменный компенсирующий ток, равный по частоте и противоположный по фазе току, протекающему в цепи, образованной измеряемой емкостью и паразитной емкостью между одним из тел и "землей", изменяют значение компенсирующего тока таким образом, чтобы результирующий ток в упомянутой цепи уменьшился до нуля, после чего вновь подключают измерительный шунт и в средней точке делителя измеряют напряжение, по которому и судят о величине измеряемой емкости.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в отличие от способа-прототипа, при котором влияние паразитной емкости между одним из тел и "землей" искажает результат измерения напряжения в средней точке делителя, образованного измерительным шунтом (далее по тексту "шунтом") и измеряемой емкостью, о значении которой судят именно по этому напряжению, в заявляемом способе путем формирования дополнительного (компенсирующего) тока в цепи измеряемой емкости добиваются практически полного исключения влияния упомянутой паразитной емкости. Таким образом, благодаря этому повышается точность измерения электрической емкости.

Сравнение отличительных признаков предлагаемого технического решения с известными техническими решениями не позволило выявить признаков, сходных с признаками заявленной совокупности, что дает возможность сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена схема измерения, реализующая способ - прототип, в идеализированном случае при отсутствии паразитной емкости между каждым из тел, емкость между которыми измеряется, и "землей"; на фиг.2 - схема измерения, реализующая способ - прототип, в реальном для практики случае при наличии паразитных емкостей между каждым из тел и "землей"; на фиг.3 - схема измерения емкости в соответствии с предлагаемым способом; на фиг.4 - структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ измерения; на фиг.5 - функциональная схема управляемого источника напряжения (УИН), входящего в состав устройства, реализующего заявляемый способ (фиг.4).

Как показано на фиг.1, суть способа -прототипа заключается в том, что с помощью высокочастотного генератора Г с выходным напряжением U_г и частотой f_г формируют в цепи измеряемой емкости C_x между проводящими телами и шунтом, полное сопротивление которого равняется Z_ш, переменный ток I, создающий на шунте как на плече делителя напряжения падение напряжения U_ш. Тогда, измерив с помощью вольтметра V напряжение U_ш, вычисляют соответствующее ему значение измеряемой емкости Cх с помощью вычислителя Выч. Для идеализированного случая (при отсутствии паразитных емкостей между проводящими телами и "землей") справедлива формула где X_ш - модуль полного сопротивления шунта.

Покажем справедливость выражения (1).

Из схемы на фиг.1 видно, что где R_г - внутреннее сопротивление генератора. Ввиду малости его значения для генератора достаточно большой мощности полагаем R_г = 0.

Следовательно, падение напряжения на шунте Из формулы (2) путем элементарных преобразований можно получить выражение (1). Очевидно, что для успешной реализации данного способа измерения значения величин X_x и X_ш должны быть соизмеримы. В самом деле, из (2) следует, что для любых значений Cх, при которых Xх>Xш, всегда Uш --> 0, а при Xх<Xш всегда Uш _→ Uг, что существенно затрудняет определение искомой емкости.

Заметим, что для способа - прототипа не является принципиальным, в какое из плеч делителя включен шунт (2), так как это отразится только на виде математической зависимости между измеренным значением напряжения U_ш и определяемой емкостью C_x.

При выводе выражения (1) не учитывалось наличие паразитных емкостей между проводящими телами и "землей". Покажем влияние этих емкостей на точность измерения.

В реальном для практики случае, как показано на фиг.2, между проводящими телами и "землей" имеются паразитные емкости C_п1, C_п2 соответственно.

С учетом этого выражения для соответствующих токов и напряжений схемы измерения согласно фиг.2 имеют вид где X_п1, X_п2 - полные сопротивления паразитных емкостей C_п1 и C_п2 соответственно, причем


Полагая для генератора достаточно большой мощности справедливым условие Rг<Xп1, пренебрегаем емкостью C_п1, тогда выражение (3) можно записать в виде

Выполняя выкладки, аналогичные приведенным выше для идеализированного случая, получаем в соответствии со схемой фиг.2 выражение для измеряемой емкости в реальном случае

или после упрощения

Определим абсолютную погрешность измерения емкости C_x при использовании способа - прототипа из-за влияния паразитной емкости C_п2 как разность выражений (4) и (1) для реального и идеализированного случаев соответственно:

Определим значение относительной погрешности измерения, обусловленной влиянием паразитной емкости C_п2:

Таким образом, погрешность измерения емкости способом - прототипом будет пренебрежимо мала лишь при соблюдении условия Xш<Xп2. Учитывая вышеуказанное требование соизмеримости значений величин X_ш и X_x, очевидно, что данное условие будет соблюдаться только при Xх<Xп2 или, что то же, Cх>Cп2. В противном случае, т. е. при паразитных емкостях, соизмеримых или больших измеряемой емкости, способ - прототип имеет низкую точность измерения. Как показано на фиг.3, иллюстрирующей суть предлагаемого способа, по сравнению со способом - прототипом в схему измерения дополнительно введена цепь формирования компенсирующего тока ФКТ, с помощью которой особым образом создается ток компенсации Iк.

Покажем, что это обеспечивает сведение указанной погрешности к нулю. Действительно, для схемы, изображенной на фиг.3, по аналогии с (1) и (4) справедливо выражение

где X_к - модуль полного внутреннего сопротивления ФКТ.

Пусть I_к = I_п2, тогда, учитывая, что I_п2 = U_ш/X_п2, а I_к = U_ш/X_к, получим условие компенсации паразитной емкости в виде
X_к = -X_п2. (7)
Подставляя (7) в (6), получим

что полностью идентично выражению (1) для измеряемой емкости в идеализированном случае, т. е.

(Cх)_комп = (Cх)_ид,
следовательно, ΔCx = 0 и согласно (5) относительная погрешность измерения, обусловленная влиянием паразитной емкости, δ = 0.

Записав условие (7) для комплексных сопротивлений, нетрудно видеть, что для полной компенсации паразитной емкости формирователь компенсирующего тока ФКТ должен обладать комплексным сопротивлением Z_к = -Z_п1, где Z_п1 - комплексное сопротивление паразитной емкости C_п1, т. е.

где .

Рассмотрим, каким образом в соответствии с предлагаемым способом измерения создают в цепи измеряемой емкости компенсирующий ток. Перед началом измерения напряжения в средней точке делителя отключают шунт Z_ш (фиг.3). При этом ток в цепи шунта становится равным нулю и, следовательно, ток через измеряемую емкость становится равным разности токов через паразитную емкость и компенсирующего, т. е. I_x = I_п2 -I_к. Далее изменяют значение тока I_к до тех пор, пока ток через измеряемую емкость не станет равным нулю, т. е. I_x = 0. Признаком этого может, например, служить нулевое падение напряжения на измеряемой емкости. После этого вновь подключают шунт Z_ш (фиг.3) и производят измерения падения напряжения на нем и определение значения измеряемой емкости по формуле (1) аналогично тому, как это делают в способе - прототипе.

Таким образом, введение по сравнению со способом - прототипом таких дополнительных операций, как отключение шунта перед началом измерений, формирование и изменение величины компенсирующего тока до выполнения условия равенства нулю тока через измеряемую емкость и повторное подключение шунта, обеспечивает снижение в пределе до нуля погрешности, обусловленной влиянием паразитной емкости между одним из проводящих тел и "землей", т. е. повышение точности измерения электрической емкости между двумя проводящими телами.

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения, содержит (фиг.4) генератор переменного напряжения Г 1, измерительный шунт 2, вольтметр V 3, вычислитель Выч. 4, управляемый ключ УК 5, компаратор К 6, управляемый источник напряжения УИН 7, преобразователь напряжение - емкость ПНЕ 8, конвертер отрицательного полного сопротивления КОПС 9 и блок управления БУ 10. К выходу Г 1 через измеряемую емкость C_x подключены первый вывод измерительного шунта 2 и вход вольтметра V 3, выход которого подключен к входу вычислителя Выч. 4. Второй вывод измерительного шунта 2 подключен к "земле" через управляемый ключ УК 5, вход управления которого подсоединен к первому выходу блока управления БУ 10. Второй выход БУ 10 подключен к входу запуска вольтметра V 3, а третий выход БУ 10 - к первому входу управляемого источника напряжения УИН 7. Выход УИН 7 подсоединен к входу преобразователя ПНЕ 8, а второй вход - к выходу компаратора К 6. Выход преобразователя ПНЕ 8 подключен к входу конвертера отрицательного полного сопротивления КОПС 9, а выход последнего соединен с первым выводом измерительного шунта 2. Кроме того, к первому и второму входам компаратора К 6 подключены соответственно выход генератора Г 1 и первый вывод измерительного шунта 2. Выход генератора Г 1 и первый вывод измерительного шунта 2 являются входом устройства в целом, а выход вычислителя Выч. 4 - выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Сигнал с выхода генератора Г 1 через измеряемую емкость C_x поступает на первый вывод измерительного шунта 2, второй вывод которого через коммутатор УК 5, управляемый блоком БУ 10, соединен с "землей". В исходном состоянии коммутатор замкнут. Перед измерением емкости БУ 10 подает команду на размыкание коммутатора и непосредственно вслед за этим сигнал запуска на первый вход УИН 7. Компаратор К 6 осуществляет сравнение поступающего на его первый вход напряжения U_г с выхода генератора Г 1 и напряжения U_ш, поступающего на второй вход с первого вывода шунта 2. Результат этого сравнения в виде логического сигнала (0 или 1) подается на второй вход УИН 7, который в зависимости от значения этого сигнала производит изменение напряжения на своем выходе в сторону увеличения или уменьшения. В частности, при выявлении компаратором соотношений напряжений U_г > U_ш или U_ш > U_г (что свидетельствует о наличии в цепи измеряемой емкости C_x подлежащего компенсации тока того или иного направления) происходит соответственно увеличение или уменьшение напряжения на выходе УИН 7. Напряжение с выхода УИН 7 поступает на вход ПНЕ 8, выходное сопротивление которого Z_пне имеет емкостной характер, причем величина этого сопротивления связана с напряжением U_уин на выходе УИН 7 соотношением

где k - коэффициент преобразования напряжение - емкость ПНЕ 8.

Преобразователь ПНЕ 8, в свою очередь, нагружен на вход конвертера КОПС 9, выходное сопротивление которого Z_к связано с сопротивлением Z_пне соотношением Z_к = - Z_пне, т. е.

Напряжение на выходе УИН 7, а значит, и выходное сопротивление КОПС 9 будут изменяться до тех пор, пока напряжение на выходе генератора не сравняется с напряжением на первом выводе шунта, т. е. U_г = U_ш, что свидетельствует о том, что ток I_x через измеряемую емкость C_x равен нулю.

Решая совместно (9) и (8), получим условие полной компенсации паразитной емкости для устройства, изображенного на фиг.4:

По прошествии некоторого периода времени, заведомо достаточного для установления определяемого (10) значения напряжения на выходе УИН 7, блок управления БУ 10 подает сигнал на первый вход УИН 7, после чего последний прекращает реагировать на состояние своего второго входа и сохраняет на время последующего измерения емкости текущее значение напряжения на выходе. Далее БУ 10 с первого выхода подает команду на замыкание УК 5, в результате чего шунт 2 вновь оказывается подключенным к "земле", образуя совместно с измеряемой емкостью C_x делитель напряжения. После этого БУ 10 с второго выхода запускает вольтметр V 3, который осуществляет измерение напряжения U_ш в средней точке упомянутого делителя. При этом результат измерения благодаря выполненной компенсации тока через паразитную емкость C_п2 не зависит от ее влияния. Важно отметить, что величина паразитной емкости при этом не имеет значения и может существенно превышать величину измеряемой емкости при неизменной точности измерения. При использовании для реализации устройства современной элементной базы процессы компенсации и измерения протекают столь быстро, что возможные отклонения паразитной емкости в процессе измерения от того значения, на которое "настраивается" схема перед измерением, малы и не могут оказать сколько-нибудь существенного влияния на точность измерений. Вычислитель Выч. 4 осуществляет расчет значения измеряемой емкости в соответствии с формулой (1) по величине измеренного вольтметром V 3 напряжения U_ш.

Выше было рассмотрено применение предлагаемого устройства для однократного измерения, однако оно может использоваться в случае, когда необходимо определять значения емкости, изменяющейся во времени, т. е. для динамических измерений. Для этого достаточно многократно повторять описанную последовательность операций способа, что легко реализовать при выполнении БУ 10 в виде программируемого устройства на базе микропроцессора.

Преобразователь напряжение - емкость ПНЕ 8 может быть выполнен на базе варикапа (полупроводникового прибора с управляемой напряжением внутренней емкостью). Конвертер отрицательного полного сопротивления КОПС 9 может быть выполнен, например, по схеме, приведенной в кн. : Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники - М.: Мир, 1983, т.1, с. 252, рис.4.4.

Управляемый источник напряжения УИН 7 имеет следующие особенности выполнения. Он содержит (фиг.5) генератор однополярных прямоугольных импульсов ГИ 11, реверсивный счетчик РС 12 и цифроаналоговый преобразователь ЦАП 13. Управляющий вход ГИ 11 является первым входом управляемого источника напряжения УИН 7 (фиг.4). Выход ГИ 11 подключен к счетному входу РС 12, вход направления счета которого является вторым входом УИН 7. Выход РС 12 подключен к входу ЦАП 13, выход которого является выходом УИН 7.

Управляемый источник напряжения УИН 7 работает следующим образом. В исходном состоянии на управляющий вход ГИ 11 (первый вход УИН 7) с третьего выхода БУ 10 (фиг.4) подается низкий логический уровень и импульсы на выходе ГИ 11 отсутствуют. При поступлении высокого логического уровня на управляющий вход ГИ 11 последний запускается, причем импульсы с его выхода подаются на счетный вход РС 12. С приходом каждого импульса двоичный код на выходе РС 12 увеличивается или уменьшается на единицу в зависимости от состояния входа направления счета РС 12 (высокий или низкий логический уровень соответственно). Двоичный код с выхода РС 12 поступает на ЦАП 13, который осуществляет преобразование этого кода в соответствующий ему уровень напряжения. При поступлении низкого уровня (сигнала запрета генерации) на управляющий вход ГИ 11 последний прекращает генерировать импульсы. Двоичный код на выходе РС 12, а значит, и напряжение на выходе ЦАП 13 остаются на уровне, соответствующем приходу последнего импульса на счетный вход РС 12 до тех пор, пока на управляющий вход генератора ГИ 11 снова не придет высокий логический уровень, разрешающий его работу.

Таким образом, в отличие от прототипа, обеспечивающего отстройку от влияния паразитной емкости только между одним из тел и "землей", предлагаемые способ и устройство для измерения электрической емкости между двумя проводящими телами обеспечивают повышение точности за счет значительного снижения влияния на результат измерения паразитных емкостей между обоими телами и "землей" соответственно.

Формула изобретения

1. Способ измерения электрической емкости между двумя проводящими телами, основанный на измерении напряжения в средней точке делителя, образованного измеряемой емкостью и сопротивлением измерительного шунта и питаемого переменным напряжением, причем о значении измеряемой емкости судят по величине напряжения в средней точке делителя, отличающийся тем, что перед измерением напряжения в средней точке делителя отключают измерительный шунт и формируют в цепи измеряемой емкости переменный компенсирующий ток, равный по частоте и противоположный по фазе току, протекающему в цепи, образованной измеряемой емкостью и паразитной емкостью между одним из тел и "землей", изменяют значение компенсирующего тока так, чтобы результирующий ток в цепи, образованной измеряемой емкостью и паразитной емкостью между одним из тел и "землей", уменьшился до нуля, вновь подключают измерительный шунт, после чего измеряют напряжение в средней точке делителя.

2. Устройство для реализации способа измерения электрической емкости между двумя проводящими телами по п.1, содержащее генератор переменного напряжения, к выходу которого через измеряемую емкость подключен первый вывод измерительного шунта и вход вольтметра, выходом подключенного к входу вычислителя, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено управляемым ключом, компаратором, управляемым источником напряжения, преобразователем напряжение - емкость, конвертером отрицательного полного сопротивления и блоком управления, причем второй вывод измерительного шунта подключен к "земле" через управляемый ключ, вход управления которого подсоединен к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к входу запуска вольтметра, а третий выход - к первому входу управляемого источника напряжения, выход которого подсоединен к входу преобразователя напряжение - емкость, а второй вход - к выходу компаратора, причем выход преобразователя напряжение - емкость подключен к входу конвертера отрицательного полного сопротивления, выход которого соединен с первым выводом измерительного шунта, кроме того, к первому и второму входам компаратора подключены соответственно выход генератора переменного напряжения и первый вывод измерительного шунта.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что управляемый источник напряжения содержит генератор однополярных прямоугольных импульсов, реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, причем управляющий вход генератора однополярных прямоугольных импульсов является первым входом управляемого источника напряжения, выход генератора однополярных прямоугольных импульсов подключен к счетному входу реверсивного счетчика, вход направления счета которого является вторым входом управляемого источника напряжения, кроме того, выход реверсивного счетчика подключен к входу цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом управляемого источника напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5