Способ измерения электрической емкости

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.). Способ измерения электрической емкости СX, основанный на регистрации времени заряда t1 измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения Е до момента достижения на измеряемом конденсаторе СX заранее принятого порогового значения напряжения U0, после подключения параллельно к измеряемому конденсатору СX образцового конденсатора СO с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов t2, не меняя при этом значение сопротивления R резистора, напряжения зарядного источника Е и заранее принятого порогового значения напряжения U0 на обкладках этих конденсаторов СX и СO. С помощью ключа К1 (фиг. 1) через резистор R в момент времени t=0 подают напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью СX. Напряжение U1(t) на конденсаторе СX, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2), с постоянной времени T1. Как только U1(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью СX и подключают к нему параллельно с помощью ключа K2 образцовый конденсатор с емкостью СO. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t=0 напряжение Е на параллельно соединенные конденсаторы СX и СO. Напряжение U2(t) на их обкладках начинает нарастать по более пологой экспоненте (фиг. 2), с постоянной времени Т2.

Как только U2(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t2. Измеряемую емкость вычисляют по формуле:

,

где СO - емкость образцового конденсатора;

t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СX до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;

t2 - время заряда параллельной цепи из конденсаторов СX и СO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа измерения электрической емкости, направлен на устранение влияния изменения напряжения Е источника постоянного тока, сопротивления R резистора в цепи заряда конденсатора с измеряемой емкостью СX, на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости. 1 табл., 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

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.).

Уровень техники

Известно много способов измерения электрической емкости, среди которых можно отметить:

- способы, использующие резонансные свойства колебательного контура, содержащего катушку индуктивности и конденсатор с измеряемой емкостью CX (Полулях К.С. Резонансные методы измерений. - М.: Энергия, 1980. - 120 с.);

- способы измерения параметров RC-генератора, содержащего во времязадающей цепи измеряемый конденсатор CX (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - 624 с.);

- мостовые методы, основанные на сравнении измеряемой емкости с образцовой (Шарапов В.М. Емкостные датчики. В.М. Шарапов, И.Г. Минаев и др. Под ред. В.М. Шарапова. - Черкассы: Брама-Украина, 2010. - 152 с.).

Недостаток перечисленных способов заключается в необходимости использования и обработки высокочастотных сигналов, что усложняет их техническую реализацию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является известный способ измерения электрической емкости на постоянном токе, основанный на измерении параметров переходного процесса в пассивном линейном четырехполюснике, содержащем конденсатор с измеряемой емкостью CX и активное сопротивление R в цепи его зарядки от источника постоянного тока с напряжением Е. (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - С. 165-166).

Известно, что переходная характеристика такого четырехполюсника, т.е. его реакция на ступенчатый входной сигнал Е, графически представленная изменением напряжения U(t) на конденсаторе, имеет вид экспоненты

где U(t) - мгновенное значение напряжения на конденсаторе с измеряемой емкостью CX; t - время отсчета с момента поступления ступенчатого сигнала; Т - постоянная времени: Т=R⋅CX.

Известный способ измерения емкости основан на измерении мгновенного значения напряжения U(t) в соответствующий момент времени t, что позволяет, используя свойства экспоненты, определить постоянную времени Т и по ней значение измеряемой емкости

Измерение емкости указанным способом сопряжено с необходимостью стабилизации значений Е и R, т.к. их изменение под действием внешних факторов и старения приводит к появлению дополнительной погрешности измерения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа измерения электрической емкости, направлен на устранение влияния изменения напряжения Е источника постоянного тока, сопротивления R резистора в цепи заряда конденсатора с измеряемой емкостью CX, на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости.

Технический результат достигается тем, что на измеряемый конденсатор CX через резистор R подают постоянное напряжение Е и измеряют время t1 заряда этого конденсатора с момента подачи Е до момента достижения на конденсаторе заранее принятого порогового значения U0; затем отключают источник постоянного напряжения Е, разряжают конденсатор CX, подключают параллельно ему образцовый конденсатор с известной емкостью CO, снова подают через тот же резистор R постоянное напряжение Е и измеряют время t2 заряда этих конденсаторов до того же значения U0, после чего рассчитывают измеряемую емкость CX по формуле:

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого способа измерения емкости. На фиг. 2 - переходные характеристики, показывающие изменение мгновенных значений напряжений U1(t) и U2(t). На фиг. 3 - схема установки для осуществления экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа измерения электрической емкости.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ опирается на следующие предпосылки.

С помощью ключа К1 (фиг. 1) через резистор R в момент времени t=0 подают напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью CX. Напряжение U1(t) на конденсаторе CX, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2):

с постоянной времени Т1=R⋅Сх.

Как только U1(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью CX и подключают к нему параллельно с помощью ключа K2 образцовый конденсатор с емкостью CO. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t=0 напряжение Е на параллельно соединенные конденсаторы CX и CO.

Напряжение U2(t) на их обкладках начинает нарастать по более пологой экспоненте (фиг. 2) с постоянной времени Т2=R⋅(CX+CO):

Как только U2(t) достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t2. Так как моменты времени t1 и t2 фиксируют при достижении мгновенными значениями напряжений U1(t) и U2(t) одного и того же уровня U0, то можно записать:

С учетом (4) и (5) это условие (6) можно записать:

Из (7) следует, что , т.е. t1T2-t2T1 или

Решая (8) относительно неизвестного значения CX, получаем формулу для его расчета (3).

При выводе этой расчетной формулы (3) в выражении (7) в левой и правой части равенства произвели сокращение на Е, а в выражении (8) - сокращение на R. Такие математические действия с равенствами (7) и (8) возможны в предположении, что за короткое время, необходимое для проведения измерения t1 и t2, эти параметры, т.е. Е и R, остаются неизменными.

Поэтому значения Е и R не вошли в расчетную формулу (3), что устраняет возможность появления дополнительной погрешности в случае изменения этих параметров.

Так же в расчетную формулу (3) не вошло и значение U0, определяющее моменты t1 и t2.

Следовательно, предлагаемый способ устраняет влияние изменения напряжения источника питания Е, сопротивления R в цепи заряда измеряемой емкости и порогового значения напряжения U0, определяющего моменты фиксации t1 и t2.

Кроме того, если при измерении t1 и t2 имела место мультипликативная составляющая систематической инструментальной погрешности, то она также не повлияет на результат измерения емкости по предлагаемому способу, т.к. войдет сомножителем в числитель и знаменатель расчетной формулы (3).

Если предлагаемый способ будет реализован на базе микроконтроллера, то интервал времени, необходимый для его осуществления, т.е. для измерения t1 и t2 и расчета CX по (3), будет составлять доли секунды, что позволяет рассчитывать на постоянство Е, R и U0 в столь короткий интервал.

Необходимо отметить, что последовательность измерения t1 и t2 не влияет на результат расчета по формуле (3). Можно сначала с помощью ключа K2 подключить CO параллельно к CX, подать напряжение Е через резистор R и ключ К1 на эти конденсаторы; при достижении U2(t) значения U0 зафиксировать t2; отключить Е; ключом К3 разрядить конденсаторы CX и CO; отсоединить CO от CX; подать Е на CX; при достижении U1(t) значения U0 зафиксировать t1 и по формуле (3) определить значение измеряемой емкости Сх.

Заранее принятое пороговое значение U0, как и в известном способе, основанном на измерении параметров переходного процесса, должно быть меньше значения Е и его обычно выбирают в пределах (0,3-0,7)Е.

Значение CO с целью повышения чувствительности предлагаемого способа, исходя из общеизвестных положений метрологии, следует брать соизмеримым с предполагаемым значением измеряемой емкости CX, что обеспечивает измерения как t1, так и t2 в равноточных условиях. Исходя из этого, можно рекомендовать CO=(0,1…10)CX.

Измерение интервалов времени t1 и t2 возможно с применением любых известных средств как в цифровом, так и аналоговом исполнении и имеющем порог чувствительности, позволяющий проводить измерение емкости в соответствующих пределах. Чем выше чувствительность, тем меньше значение CX, доступное для измерения предлагаемым способом.

Проверка работоспособности предлагаемого способа проводилась на установке (фиг. 3), в которой измеритель напряжения 1 выполнен на базе аналогового компаратора на операционном усилителе, например типа К554СА3. В качестве измерителя времени установлен электронный цифровой секундомер 2, например типа СИ8 ОВЕН, с чувствительностью 10мс и имеющий два входа: один вход 3 для запуска высоким напряжением; другой вход 4 для остановки счета в случае поступления низкого напряжения (менее 0,8 В для этого секундомера).

Такой порог чувствительности позволяет проводить измерения электрической емкости примерно от 0,5 мкФ и выше в сторону увеличения.

При измерении t1 и t2 при срабатывании ключа К1 (фиг. 3) высокое напряжение от источника Е поступает на вход 3 секундомера 2, запуская его в работу. Компаратор 1 включен по схеме инвертора, т.к. опорное напряжение U0 подается на неинвертирующий вход компаратора, а измеряемое напряжение U1(t) (или U2(t)) поступает на инвертирующий вход компаратора. До тех пор, пока U1(t)<U0 (или U2(t)<0) на выходе компаратора высокое напряжение, что обеспечивает работу секундомера. Как только U1(t) (или U2(t)) станет равным UO, на выходе компаратора напряжение станет низким, что остановит работу секундомера и позволит снять его показания.

Как видно из представленной таблицы, изменение U0 с 5В до 7,5В (опыты №1 и №2), изменение Е с 10В до 20В (опыты №2 и №3), изменения R с 102 кОм до 152 кОм практически не повлияли на точность измерения, относительная погрешность измерения электрической емкости с применением предложенного способа не превысила 1%.

Предлагаемый способ измерения емкости по сравнению с прототипом и другими известными способами обладает следующими преимуществами:

- устраняет влияние дестабилизирующих факторов, таких как изменение напряжения питания, изменение сопротивления в цепи зарядки конденсатора, и изменение значения напряжения срабатывания измерителя временных интервалов на точность измерения;

- доступность технической реализации на базе общедоступных микроконтроллеров, автоматически выполняющих все необходимые операции по измерению емкости.

Способ измерения электрической емкости, основанный на регистрации времени заряда измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор постоянного напряжения до момента достижения на измеряемом конденсаторе заранее принятого порогового значения напряжения, отличающийся тем, что после подключения параллельно к измеряемому конденсатору образцового конденсатора с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов, не меняя при этом значение сопротивления резистора, напряжения зарядного источника и заранее принятого порогового значения напряжения на обкладках этих конденсаторов, и измеряемую емкость вычисляют по формуле:

где CO - емкость образцового конденсатора;

t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СХ до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;

t2 - время заряда параллельной цепи из конденсаторов СХ и CO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках.



 

Похожие патенты:

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.).

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.

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.

Использование: для проведения измерений частотных спектров комплексной диэлектрической проницаемости веществ в диапазоне частот от 0,01 до 15 ГГц. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения частотного спектра комплексной диэлектрической проницаемости в диапазоне частот от 0,01 до 15 ГГц основан на измерении и вычислении частотных спектров каскадно-специфических матриц рассеяния, включает: измерение характеристик коаксиальной измерительной ячейки, заполненной эталонным веществом с известным частотным спектром комплексной диэлектрической проницаемости; нахождение характеристик отрезков ячейки, расположенных слева и справа от отрезка, предназначенного для заполнения исследуемым веществом; измерение характеристик коаксиальной измерительной ячейки, заполненной исследуемым веществом; вычисление характеристик отрезка измерительной ячейки, заполненного исследуемым веществом; вычисление диэлектрической проницаемости заполняющего ячейку диэлектрика, при этом используют коаксиальную измерительную ячейку, обладающую симметричной матрицей рассеяния. Технический результат - обеспечение возможности более точного измерения частотных спектров комплексной диэлектрической проницаемости веществ в диапазоне частот от 0,01 до 15 ГГц. 1 ил.

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. Способ измерения электрической емкости СX, основанный на регистрации времени заряда t1 измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения Е до момента достижения на измеряемом конденсаторе СX заранее принятого порогового значения напряжения U0, после подключения параллельно к измеряемому конденсатору СX образцового конденсатора СO с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов t2, не меняя при этом значение сопротивления R резистора, напряжения зарядного источника Е и заранее принятого порогового значения напряжения U0 на обкладках этих конденсаторов СX и СO. С помощью ключа К1 через резистор R в момент времени t0 подают напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью СX. Напряжение U1 на конденсаторе СX, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте, с постоянной времени T1. Как только U1 достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью СX и подключают к нему параллельно с помощью ключа K2 образцовый конденсатор с емкостью СO. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t0 напряжение Е на параллельно соединенные конденсаторы СX и СO. Напряжение U2 на их обкладках начинает нарастать по более пологой экспоненте, с постоянной времени Т2.Как только U2 достигнет заранее принятого порогового значения U0, фиксируют момент времени t2. Измеряемую емкость вычисляют по формуле: ,где СO - емкость образцового конденсатора;t1 - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью СX до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках;t2 - время заряда параллельной цепи из конденсаторов СX и СO до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках.Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа измерения электрической емкости, направлен на устранение влияния изменения напряжения Е источника постоянного тока, сопротивления R резистора в цепи заряда конденсатора с измеряемой емкостью СX, на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости. 1 табл., 3 ил.

Наверх