Устройство для измерения отклонения емкости от номинала

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике. Устройство измерения относительного отклонения величины емкости от номинала содержит микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами разряда и заряда измеряемой емкости и источник тока заряда. При этом последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения. Техническим результатом является обеспечение непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и повышение точности измерения. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике.

Известны устройства для измерения отклонения емкости от номинала, использующие аналого-цифровые преобразователи с сигма-дельта модуляцией [Михаль Брихт. Преобразователи емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. №1. 2006. С. 34-36], содержащие интегратор, к входу которого подключены опорная емкость, другой вывод которой подключен к источнику опорного напряжения и измеряемая емкость, другой вывод которой подключен к источнику возбуждения, выход интегратора подключен к входу аналогового компаратора, выход которого через цепь обратной связи соединен с формирователем уравновешивающих зарядов опорной емкости.

Недостатком устройств является сложность схемотехнического решения. Серийные микросхемы, построенные на этом принципе [AD7745-46 // Data_Sheet/214550359], помимо сравнительно высокой стоимости, имеют ограниченное значение измеряемых номинальных емкостей (стандартное значение 50 пФ) с максимальным абсолютным отклонением до 17 пФ.

Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанное на промежуточном преобразовании емкость-время [Single-chip Solution for Capacitance Measurement PCap02A. March 13, 2013, Сысоева С. Инновационные микросхемы Asic Picocap от компании Acam: время-цифровые емкостные преобразователи // Компоненты и технологии №7, 2014; Троицкий Ю. Преобразователи емкость-код с промежуточным времяимпульсным преобразованием // Компоненты и технологии №7, 2014], содержащие два преобразователя емкость-время, выход каждого из которых соединен с входом преобразователя время-код.

Недостатком устройства является сложность обеспечения сочетания требуемой точности измерения и требуемого быстродействия преобразователя время-код.

Так, например, для обеспечения измерения максимальной разности (отношения) двух емкостей в пределах 1% с разрешением 0,1% с временем измерения 1 мс потребуется преобразователь время-код, работающий на частоте не менее 256 МГц. Для обеспечения высокого быстродействия преобразования емкость-время-код в серийной микросхеме PCap01 [PCap01 Single-chip Solution for Capacitance Measurement with Standart Firmware 03.01.02. July 15, 2013] используются достаточно сложные схемотехнические решения, обеспечивающие работу преобразователя время-код в пикосекундном диапазоне. Кроме того, следует учесть затраты на программное вычисление результата измерения по полученным двум отсчетам.

Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанные на промежуточном преобразовании емкость-напряжение [CAV424 - C/U transducer IC with adjustable output voltage. Analog Microelectronics GmbH], содержащие два интегратора на базе двух источников тока, подключенных к измеряемой и образцовой емкости, опорного генератора синхронизирующего работу интеграторов, схему вычитания напряжений с выходов интеграторов и фильтр низких частот, к выходу которого может подключаться аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком устройства является необходимость подключения большого количества внешних элементов, влияющих на точность преобразования.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство логометрического преобразователя емкость-напряжение-код [Троицкий Ю.В. Аналого-цифровые преобразователи емкость-время-код и емкость-напряжение-код // Ремонт и сервис: №7, 2013 г., с. 57-60], содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости, источник тока и резистор, подключенный к входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя.

Недостатками устройства являются:

- невозможность непосредственного сравнения измеряемой емкости с эталонной емкостью;

- нелинейная зависимость результата преобразования от измеряемого значения емкости;

- зависимость от нестабильности сформированного временного интервала заряда емкости;

- зависимость от нестабильности величины резистора, подключенного к входу опорного напряжения.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в обеспечении непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и в повышении точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости и источник тока заряда, последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на фиг. 1.

Устройство содержит микроконтроллер 1 (MC с встроенными аналого-цифровым преобразователем 2 (ADC) и двумя программируемыми таймерами 3 (T1) и 4 (T2), управляющими ключами заряда 5 (SW1) и разряда 6 (SW2) измеряемой емкости 7 (Cx) и эталонной емкости 9 (Co), источником тока 8 (I)). Выводы эталонной емкости 9 через буферный усилитель 10 (DA) с коэффициентом усиления kу подключены к входу аналого-цифрового преобразователя 2, а выводы измеряемой емкости 7 подключены к входам его опорного напряжения (Uref+, Uref-).

Устройство работает следующим образом. В исходном положении эталонная 9 (C0) и измеряемая 7 (Сх) емкости разряжены через замкнутый ключ 6 (SW2). При размыкании ключа 6 (SW2) и замыкании ключа 5 (SW1) на время t0, задаваемое таймером T1 (3), происходит заряд емкостей С0 и Сх током I от источника тока (8) до уровней

Полученный сигнал Uin подается на входы буферного усилителя (10), а сигнал Uref, снимаемый с измеряемой емкости, подается на входы опорного напряжения (Uref+, Uref-) аналого-цифрового преобразователя (2).

При замыкании ключа 6 (SW2) и размыкании ключа 5 (SW1) на время t1, задаваемое таймером T2 (4), происходит разряд емкостей С0 и Сх и возвращение устройства исходное состояние.

В основу преобразования положен логометрический [ratiometric] метод [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр. 7…13], который обеспечивает результат преобразования кратный отношению Uin/Uref

где N - результат преобразования АЦП, Nmax максимальное значение выходного кода АЦП (Nmax=2n, n - разрядность АЦП).

С учетом зависимостей (1, 2)

т.е. обеспечивается прямо пропорциональное преобразование емкость-цифровой код, независимое от нестабильности тока и времени заряда емкостей t0.

Представив

получим

Выбрав kу=0,5, получим возможность измерения величины относительного отклонения измеряемой емкости δCx в диапазоне ±100%.

(Примером серийного усилителя с коэффициентом передачи менее 1 может служить инструментальный усилитель АМР01 фирмы Analog Devices, обеспечивающий коэффициент передачи в диапазоне от 0,1 до 10 и обладающий малыми входными токами.)

В соответствии с полученным выражением начало шкалы отсчета АЦП смещается на середину шкалы , относительно которой фиксируется относительное отклонение измеряемой емкости в диапазоне ±100%.

Как следует из полученного выражения, результат преобразования не зависит от нестабильности параметров элементов устройства, что обеспечивает повышение точности измерения.

Допустимая величина измеряемого значения δCx определяется прежде всего допустимым диапазоном изменением величины опорного напряжения Uref. Для большинства выпускаемых аналого-цифровых преобразователей этот диапазон лежит в пределах от 1,2 В до уровня напряжения питания микросхемы.

Следовательно, в соответствии с (2) необходимо выбрать

Так, для обеспечения диапазона δСx max=±0,5 значение Uref в соответствии с (6), (8) будет изменяться в пределах от Uref min=0,666Uref ном до Uref max=2Uref ном.

Для выполнения условия Uref min=1,2 В необходимо выбрать Uref ном=1,8 В. При этом Uref max=3,6 В, что вполне вписывается в допустимый диапазон изменения величины опорного напряжения АЦП.

Время измерения складывается из времени заряда емкостей задаваемого таймером T1 (3) и времени преобразования отношения емкостей, осуществляемого аналого-цифровым преобразователем (2).

Время заряда/разряда емкостей одинаково как для прототипа, так и для преобразователей емкость-время. Но в прототипе для измерения отношения емкостей необходимо повторить измерение для второй емкости.

При 20-разрядной эффективной разрешающей способности АЦП (Nmax=220), обеспечиваемой встраиваемыми АЦП современных микроконтроллеров, преобразование приращения емкости будет осуществляться с разрешением 219 бит, т.е. будет фиксироваться отклонение δCx=±2⋅10-5.

Для преобразования время-код в преобразователях с промежуточным преобразованием емкость-время для обеспечения такой разрешающей способности потребуется опорная частота гигагерцового диапазона.

Таким образом, благодаря предложенному включению эталонного и измеряемого конденсаторов удается обеспечить непосредственное измерение относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной емкости с высокой точностью и с высоким быстродействием.

Устройство измерения относительного отклонения величины емкости от номинала, содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами разряда и заряда измеряемой емкости и источник тока заряда, отличающееся тем, что последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности, к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использовано в средствах для диагностики состояния изоляции асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

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.).

Изобретение относится к промышленной электронике, аналого-цифровой технике и схемотехнике. Технический результат заключается в уменьшении погрешности дифференцирования от конечного значения коэффициента.

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца.

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения физических параметров материала, в том числе при экстремальных температурах и давлениях, например, устройство может быть применено для контроля сухости пара пароводяной среды.

Изобретение относится к многослойным самолетным или аэрокосмическим иллюминаторам и касается прозрачного изделия с датчиком влаги. Включает в себя один или более датчиков влаги мониторинга проникновения влаги, чтобы контролировать эксплуатационные показатели влагостойкого барьера.

Изобретение способ определения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов относится к технике измерения диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов.

Изобретение относится к электросвязи и электротехнике, где осуществляется передача электромагнитных колебаний по электрической цепи, прямым проводом которой является металлический проводник, а обратным - металлический проводник или проводящая среда.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра. Способ включает в себя возбуждение зондирующим пучком поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности металлического образца, измерение длины распространения ПЭВ и определение ее фазовой скорости, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по означенным ее характеристикам и определение диэлектрической проницаемости металла путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости основан на регистрации времени заряда t1 измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения Е до момента достижения на измеряемом конденсаторе СХ заранее принятого порогового значения напряжения U0. Заменив измеряемый конденсатор СХ образцовым конденсатором СО с известной емкостью, измеряют время заряда образцового конденсатора t2, не меняя при этом значения сопротивления резистора R, напряжения зарядного источника Е и заранее принятого порогового значения напряжения U0 на конденсаторе. Измеряемую емкость вычисляют по формуле: где СО - емкость образцового конденсатора; t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СХ до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках; t2 - время заряда конденсатора СО до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках. Технический результат заключается в повышении точности измерения электрической емкости. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике. Устройство измерения относительного отклонения величины емкости от номинала содержит микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами разряда и заряда измеряемой емкости и источник тока заряда. При этом последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения. Техническим результатом является обеспечение непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и повышение точности измерения. 1 ил.

Наверх