Устройство для измерения емкости конденсатора

 

Использование: в электрических измерениях. Технический результат - расширение диапазона измерения емкости конденсатора и повышение чувствительности, а также обеспечение настройки изменением сопротивления резисторов. Устройство содержит источник напряжения переменного тока, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод подключен через разделительный конденсатор к первым выводам первой и второй пар последовательно соединенных диодов, которые включены встречно, а точки их соединения подключены к выводам соответственно образцового и измеряемого конденсаторов. Вторые выводы образцового и измеряемого конденсаторов подключены к общей шине. Последовательно соединенные первый и второй накопительные конденсаторы и первый и второй резисторы подключены к выходу разделительного конденсатора и общей шине. Фильтр низкой частоты из последовательно соединенных резистора и конденсатора включен между выводом разделительного конденсатора и общей шиной. Дополнительный выходной резистор включен между точкой соединения резистора и конденсатора фильтра низкой частоты и общей шиной. Точка соединения первого накопительного конденсатора и первого резистора соединена со вторым выводом первой пары диодов. Устройство позволяет смещать характеристику И_вых (C_x) в область положительных или отрицательных значений выходного напряжения И_вых. 2 ил.

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению емкости.

Известен емкостный преобразователь, содержащий мост с индуктивно-связанными плечами (см. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебн. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1983, -стр. 146), включающий повторитель напряжения, трансформатор.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся его сложность исполнения, наличие трансформатора.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство с емкостно-диодной измерительной цепью дифференциального датчика, в котором емкости датчика подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов (см. там же, стр. 148, рис. 7-15, б), и принятое за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относятся его низкая чувствительность и ограниченный диапазон изменения измеряемой емкости.

Технический результат - расширение диапазона измерения емкости и повышение чувствительности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что устройство для измерения емкости конденсатора содержит источник напряжения переменного тока, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод подключен через разделительный конденсатор к первым выводам первой и второй пар последовательно соединенных диодов, причем первая и вторая пары диодов включены встречно, точка соединения диодов первой пары подключена к выводу образцового конденсатора, точка соединения диодов второй пары подключена к выводу измеряемого конденсатора, а вторые выводы образцового и измеряемого конденсаторов подключены к общей шине; последовательно соединенные первый накопительный конденсатор и первый резистор, подключенные к выводу разделительного конденсатора и общей шине, и фильтр низкой частоты из последовательно соединенных резистора и конденсатора, который включен между выводом разделительного конденсатора и общей шиной. Особенностью является то, что в него введены дополнительный второй накопительный конденсатор, соединенный параллельно со второй парой диодов; дополнительный второй резистор, соединенный между вторым выводом второй пары диодов и общей шиной; и дополнительный выходной резистор, включенный между точкой соединения резистора и конденсатора фильтра низкой частоты и общей шиной; при этом точка соединения первого накопительного конденсатора и первого резистора соединена со вторым выводом первой пары диодов.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для измерения емкости конденсатора, на фиг. 2 - экспериментальная зависимость выходного напряжения U_вых от измеряемой емкости С_х.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Устройство содержит источник напряжения переменного тока с выводами 1 и 2, которые образуют вход устройства, первую пару диодов, состоящую из диодов 3 и 4, соединенных последовательно, и вторую пару диодов, состоящую из диодов 5 и 6, соединенных аналогичным образом. Первая пара диодов 3 и 4 включена встречно второй паре диодов 5 и 6. Кроме этого, устройство содержит разделительный конденсатор 7, первый и второй накопительные конденсаторы 8 и 9, образцовый конденсатор 10, измеряемый конденсатор 11, первый и второй резисторы 12 и 13, фильтр низкой частоты, состоящий из последовательно соединенных резистора 14 и конденсатора 15, и выходной резистор 16, выводы 17 и 18 образуют выход устройства.

Первый вывод 2 устройства напряжения переменного тока соединен с общей шиной, а второй вывод 1 подключен через разделительный конденсатор 7 к первым выводам первой пары диодов 3 и 4 и второй пары диодов 5 и 6. Точка соединения диодов 3 и 4 подключена к первому выводу образцового конденсатора 10, а точка соединения диодов 5 и 6 подключена к первому выводу измеряемого конденсатора 11. Вторые выводы образцового конденсатора 10 и измеряемого конденсатора 11 подключены к общей шине. Последовательно соединенные первый накопительный конденсатор 8 и первый резистор 12 подключены ко второму выводу разделительного конденсатора 7 и общей шине. Между вторым выводом разделительного конденсатора 7 и общей шиной включен фильтр низкой частоты. Второй накопительный конденсатор 9 соединен параллельно со второй парой диодов 5 и 6. Второй резистор 13 включен между вторым выводом второй пары диодов 5 и 6 и общей шиной.

Выходной резистор 16 включен между точкой соединения резистора 14 и конденсатора 15 и общей шиной. Точка соединения первого накопительного конденсатора 8 и первого резистора 12 соединена со вторым выводом первой пары диодов 3 и 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При подаче на вход устройства входного напряжения U положительной полярности открывается диод 3, и образцовый конденсатор 10 заряжается до напряжения U_co, которое определяется значением емкости C_o образцового конденсатора 10. При изменении направления входного напряжения U будет протекать ток заряда первого накопительного конденсатора 8 по цепи: точка а, образцовый конденсатор 10, диод 4, первый накопительный конденсатор 8, точка b. При этом первый накопительный конденсатор 8 зарядится до напряжения U_c1 = U + U_co, где U - входное напряжение, U_co - напряжение на образцовом конденсаторе, так как источник переменного напряжения и конденсатор 10 оказались включенными последовательно и согласно.

Аналогичным образом напряжение на втором накопительном конденсаторе 9 равно U_c2 = U + U_cx, где U_cx - напряжение на измеряемом конденсаторе 11 емкостью С_x, но полярность напряжения U_c2 противоположна полярности напряжения U_c1.

Второй накопительный конденсатор 9 разряжается по цепи резистора 14, выходного резистора 16 и второго резистора 13, а первый накопительный конденсатор 8 - по цепи первого резистора 12, выходного резистора 16 и резистора 14. Таким образом, токи разряда первого и второго накопительных конденсаторов 8 и 9 протекают через выходной резистор 16 встречно и выходной сигнал в виде напряжения U_вых, снимаемый с выводов 17 и 18, будет пропорционален разности напряжений U_c2 и U_c1, т.е. в конечном счете пропорционален разности емкостей С_x и С₀ измеряемого и образцового конденсаторов 11 и 10.

В устройстве сохраняется шунтирующее действие первой пары диодов 3 и 4 и второй пары диодов 5 и 6, но так как сопротивления первого и второго резисторов 12 и 13 намного больше прямого сопротивления диодов 3-6, причем для шунтирующих токов первый и второй резисторы 12 и 13 оказываются включенными последовательно, то это действие намного меньше, чем в схеме прототипа.

Результаты экспериментов показали, что предлагаемое устройство имеет значительно большую чувствительность и диапазон измерения (фиг. 2, кривая 1) по сравнению с прототипом (фиг. 2, кривая 2). Представленная зависимость U_вых (С_x) получена при равенстве сопротивлений первого и второго резисторов 12 и 13, т.е. при R₁=R₂ и С₀ = Const.

При R₁ = R₂ зависимость U_вых (С_x) симметрична относительно точки С_x = С₀.

Предлагаемое устройство позволяет также смещать характеристику U_вых (С_x) в область положительных или отрицательных значений выходного напряжения U_вых путем выбора разных значений R₁ и R₂ (при R₁ ≠ R₂), что позволяет настраивать устройство только изменением сопротивления либо первого резистора 12, либо второго резистора 13.

Благодаря такому включению первого и второго резисторов 12 и 13, а также наличию первого и второго накопительных конденсаторов 8 и 9, стало возможным территориально разнести измеряемый и образцовый конденсаторы 11 и 10 на значительные расстояния.

Предложенное устройство может быть использовано и для измерения емкости дифференциального конденсатора, где роль второй измеряемой емкости может выполнять образцовый конденсатор 10.

Формула изобретения

Устройство для измерения емкости конденсатора, содержащее источник напряжения переменного тока, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод подключен через разделительный конденсатор к первым выводам первой и второй пар последовательно соединенных диодов, причем первая и вторая пары диодов включены встречно, точка соединения диодов первой пары подключена к первому выводу образцового конденсатора, точка соединения диодов второй пары - к первому выводу измеряемого конденсатора, а вторые выводы образцового и измеряемого конденсаторов подключены к общей шине, последовательно соединенные первый накопительный конденсатор и первый резистор, подключенные к второму выводу разделительного конденсатора и общей шине, и фильтр низкой частоты из последовательно соединенных резистора и конденсатора, который включен между вторым выводом разделительного конденсатора и общей шиной, отличающееся тем, что в него введены дополнительный второй накопительный конденсатор, соединенный параллельно с второй парой диодов, дополнительный второй резистор, включенный между вторым выводом второй пары диодов и общей шиной, и дополнительный выходной резистор, включенный между точкой соединения резистора и конденсатора фильтра низкой частоты и общей шиной, при этом точка соединения первого накопительного конденсатора и первого резистора соединена с вторым выводом первой пары диодов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2