Резонансный измеритель малых приращений емкости

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ 991331

Союз Советских

Соцналнстичесник

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{6 () Дополнительное к авт. свид-вуР 808981 (22) Заявлено 27.03. 81 (21) 3264802 j18-21 151) М.Кg З с присоединением заявки N8

G 01 R 27/26

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23.0183. Бюллетень Nо3

Дата опубликования описания 2301.83 (53) УДК 621 ° 317. 738 (088.8) т с

Н.M.Ñâèðèäîâ, Ю.A.Скрипник, A.М.Свиридову, В.A.Eфрeмoв -., и А.П. Бурмнстенкон;..", .

/ (72) Авторы изобретения (71 ) Заявитель

Киевский технологический институт легкой промышленности (54) РЕЗОНАНСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ ПРИРАЩЕНИИ

ЕМКОСТИ

Изобретение относится к измерениям электрических величин, а именно к измерениям электрических .параметров элементов электрических цепей.

По основному авт. св. Р 808981 известен резонансный измеритель.ма» лых приращений емкости, который сос" тоит иэ двух генераторов высокой и низкой частоты, колебательного контура, переключателя, трех конденсаторов (контролируемого, управляемого и связи) амплитудного детектора, уз» кополюсного фильтра, усилителя низкой частоты, сичхроннога детектора,источника стабилизированного постоянного напряжения, делителя напряжения, сумматора, блока стабилизации рабочей точки и регистрирующего индикатора. В этом устройстве сведены .к минимуму не только погрешности измерения, обусловленные нестабильностью параметров элементов колебательного контура, но и все погрешности (аддитивные и мультипликативные}1 измерительного тракта (1).

Недостатком этого устройства является наличие погрешностей измерения, обусловленных температурной и временной нестабильностью в работе переключателя.

Цель изсбретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в резонансный измеритель малых приращений емкости, содержащий пере ключатель, входы которого соединены с контролируемым и управляемым конденсаторами, а выход подключен к колебательному контуру, связанному через емкость с генератором высокой частоты, амплитудный детектор, вход которого подключен через узкополосный фильтр и усилитель низкой частоты с одним из входов синхронного детектора, другой вход которого соединен с выходом генератора низкой частоты и управляющим входом переключателя, а выход синхронного детектора

20 подключен через регистрирующий индикатор с одним иэ входов сумматора, другой вход которого связан с источ ником стабилизированного постоянного напряжения через делитель напряжения, а его выход подключен к.управляемому конденсатору, и блок стабилизации рабочей точки, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, а выход подключен к колебательному контуру, введены второй источник стабиЗ0 .лизированного постоянного напряже991331 ния, электронный ключ и блок формирования стробирующих импульсов, вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты, выход подключен к управляющему входу генератора высокой частоты и к входу электронного 5 ключа,. вход электронного ключа подключей к второму источнику стабилизированного напряжения, а его выход— к входу узкополосного фильтра.

На чертеже представлена функцио- 0 нальная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор 1 высокой частоты, подключенный через конденсатор 2 связи к колебательному контуру 3, параллельно которому включены последовательно соединенные варикап 4 и конденсатор 5. Амплитудный детектор б, вход которого подключен к колебательному контуру 3, а его выход связан через узкополосный 20 фильтр 7 с входом усилителя 8 низкой частоты и через фильтр 9 нижних частот с одним из входов дифференциального усилителя 10. Второй вход усилителя 10 соединен с источником 11 25 стабилизированного постоянного напряжения, а его выход подключен к месту соединения варикапа 4 и конденсатора 5. Конденсатор 5, варикап 4,фильтр

9, дифференциальный усилитель 10 и 30 источник 11 стабилизированного напряжения составляют блок 12 стабилизации рабочей точки на боковой ветви резонансной кривой. Информационный вход синхрбнного:детектора 13 под- 35 ключен к выходу усилителя 8 низкой частоты. Переключатель 14, генератор

15 низкой частоты и два конденсатора (контролируемый 16 и управляемый

17) подключены к входам переключате- 4( ля 14. Выход переключателя 14 подключен к колебательному контуру 3, а его управляющий вход соединен с выхо-. дом генератора 15 низкой частоты и управляющим входом синхронного детек-45 тора 13. Источник 18 стабилизированного постоянного напряжения, электронный ключ 19 и блок 20 формирования стробирующих импульсов, вход которого соединен с выходом генератора 15 низкой частоты, а выход блока

20 формирования стробирующих импульсов подключен к управляющим входам генератора 1 высокой частоты и электронного ключа 19. Вход ключа 19 соединен с источником 18 стабилизирован- ного постоянного напряжения, а его выход подключен к входу узкополосного фильтра 7. Устройство содержит также регистрирующий индикатор 21, сумматор 22, делитель 23 напряжения бО и источник 24 стабилизированного постоянного напряжения, вход которого подключен через делитель 23 напряже» ния к одному из входов сумматора 22, второй вход которого подключен через 65 регистрирующий индикатор 21 к выхоцУ синхРонного детектоРа 13. Выход сумматора 22 подключен к управляющему входу конденсатора 17.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

1 енератор 1 высокой частоты через конденсатор 2 подпитывает колебательный контур 3, параллельно которому включены последовательно соединенные варикап 4 и конденсатор 5. Колебательный контур настраивают так, что его рабочее напряжение, так называемая рабочая точка, находится на боковой ветви резонансной кривой ° Напряжение колебательного контура 3, выпрямленное амплитудным детектором б, подают через узкополосный фильтр 7 на вход усилителя 8 низкой частоты и через фильтр 9 нижних частот — на один из входов дифференциального усилителя 10, на второй вход которого подают такое же по величине постоянное напряжение оТ источника 11 стабилизированного напряжения. Выход усилителя 10 подключен к месту соединения варикапа 4 и конденсатора 5. При изменении. параметров элементов колебательного контура 3 или изменении частоты генератора 1 рабочая точка сместится вверх или вниз по резонансной кривой. Вследствие этого. изменится напряжение постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора б, которое подается на дифференциальный усилитель 10.

На выходе .дифференциального усилите ля 10 появится сигнал, который вызовет приращение (увеличение или уменьшение) емкости варикапа 4. Это возвратит рабочую точку в исходное положение и скомпенсирует дестабилизирующий фактор.

С выхода усилителя 8 низкой часто.ты сигнал поступает на информационный вход синхронного детектора 13, который управляется синхронно с переключателем 14 генератором 15 низкой частоты. Напряжение на выходе генератора 15 низкой частоты имеет форму меандра. При помощи переключателя 14 происходит поочередное подключение к колебательному контуру 3 контролируемого конденсатора 16 и управляемого конденсатора 17.

При использовании контактного переклЮчателя, например геркона, в качестве переключателя 14 поочередные подключения конденсаторов 16 и 17 происходят не мгновенно, а с некоторым запаздыванием, связанным с инерционностью подвижного контакта во время его переброса с одного неподвижного контакта на другой и с так называемым дребезгом, имеющим место при его соприкосновении с неподвижными контактами. После окончания дребезга следует режим установившег. ся постоянного контакта. Так как на дре991331 безг и на время переброса подвижного контакта переключателя 14 сущест- венное влияние оказывают температура, инерционные и гравитационные сичы и т.д. (причем эти Факторы по разному влияют на дребезг и на время э переброса контакта в прямом и обратном направлении), то изменяется и время подключения контролируемого 16 и у. равляемого 17 конденсаторов, что приводит к появлению погрешностей из- 10 мерения.

Для существенного уменьшения указанных погрешностей необходимо в процессе измерения исключить влияние времени переброса и дребезга контактов переключателя 14 на результат измерения. Это достигается введением дополнительного источника 18 стабилизированного постоянного напряжения, электронного ключа 19 и блока 20 фор- 2О мирования стробирующих импульсов, а также связей между ними.

Напряжение генератора 15 низкой частоты поступает на блок 20 формирования стробирующих импульсов, кото- рый под воздействием этого напряжения формирует стробирующие импульсы, длительность которых устанавливается несколько большей, чем суммарное время переброса контакта и его дребеэга. Строб-импульсы с выхода блока 20 формирования стробирующих импульсов подаются на управляющий вход генератора 1 высокой частоты и на управляющий вход электронного ключа 19. При постуПлении стробирующего импульса на генератор 1 высокой частоты он выключается (запирается) на время длительности импульса, что приведет к исчезновению напряжения на колебательном контуре 3 и, следовательно, на имплитудном детекторе 6. Учитывая, что включение и выключение ге40 нератора 1 высокой частоты может производиться электронным способом, а скорость появления и исчезновенйя напряжения на колебательном контуре

3 и амплитудном детекторе 6 относи45 тельно большая, поэтому фронты напряжения, вызванные включением и выключением генератора 1 высокой частоты на амплитудном детекторе 6, будут достаточно крутыми.

Стробирующий импульс с выхода блок источнику 18 стабилизированного постоянного напряжения, а выход его подключен к входу узкополосного фильтра

7 частоты коммутации. Напряжение источника 18 стабилизированного постоянного напряжения устанавливается равным напряжению постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора 6, величина которого поддерживается на определенном уровне с помока 20 формирования стробирующих импульсов поступает также на электрон- у ный ключ 19, вход которого подключен щью блока стабилизации рабочей точки.

При поступлении стробирующих импульсов на электронный ключ 19, на выходе его появятся сигналы импульсных напряжений; равные по амплитуде напряжению источника 18, а по длительности равные длительности сигналам стробирующих импульсов. Сигналы с выходом амплитудного детектора 6 и электронного ключа 19 поступают на вход узкополосного фильтра 7 частоты коммутации, где эти входные сигналы суммируются.

Так как на время переброса и дребезга контакта переключателя 14 про исходит отключение генератора l высокой частоты, то процедура подключения конденсаторов 16 и 17 при помощи переключателя 14 осуществляется при отсутствии высокочастотного напряжения на контуре 3 и на контактах самого переключателя. Следовательно, сигнал на выходе амплитудного детектора 6 не содержит составляющих, связанных с нестабильностью времени переброса и дребезга подвижного контакта. Провалы напряжения в выход ном сигнале амплитудного детектора 6, . обусловленные отключением генератора

1 высокой частоты, компенсируются импульсами напряжения с выхода электронного ключа 19, которые по длительности равны ширине длительности провала, а амплитуда равна постоянной составляющей сигнала детектора 6 °

Неполная компенсация провалов, которая может иметь место из-за не" точной установки напряжения источни-ка 18 из-за временной и температурной нестабильности коэффициента передачи электронного ключа 19 и из-за возможного дрейфа напряжения постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора 6 приведет к появлению информационной переменной составляющей, частота которой в два ра- . за выше частоты информативного сигнала (частоты коммутации). Однако эта

1 помеха,не вызовет появления дополнительных погрешностей, так как она будет ослаблена узкополосным фильтром 7 и полностью подавлена синхронным детектором 13 ввиду известного свойства синхронного детектора 13 подавлять четные гармоники в спектре детектируемого сигнала.

При неравенстве емкостей контролируемого конденсатора 16 и управля- емого конденсатора 17 высокочастотное напряжение колебательного контура 3 будет промодулировано низкой частотой. На выходе амплитудного детектора появится переменная составляющая низкой частоты, величина которой определяется разностью емкостей контролируемого и управляемого конденсато ров 16 и 17.

991331

Формула изобретения

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 808981 по заявке Р 2700?15/21

4 кл. G 01 R 27/26, 20,12.78.

Переменная составляющая сигнала фильтруется, усиливается и поступает .на синхронный детектор 13, на выходе которого появится постоянное напряжение, функционально связанное с разностью емкостей конденсаторов 16 и 17

Это напряжение поступает через регист рирующий индикатор 21 на один из входов сумматора 22, на второй вход которого подается через делитель напряжения от источника 23 стабилизнрован., ного постоянного напряжения. На выходе сумматора 2 появится напряжение, которое прикладывается к управляющему входу конденсатора 17. Это напряжение скомпенсирует разность емкостей между контролируемым 16 и. управляемым 17 конденсаторами. Величина тока, протекающая через регистрирую-щий индикатор 21, функционально связана с приращением емкости контролируемого конденсатора 16.

Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с известным существенно повышается точность измерения за счет исключения погрешностей,1 обусловленных температурйой и временной нестабильностью в работе переключателя 14.

Исключение указанных погрешностей измерения в предлагаемом резонансном измерителе позволит применить его в устройствах, которые предназначены для измерения неэлектрических величин, например толщины диэлектрических пленок,. диаметра диэлектрических нитей, влажности материалов и воздуха и т.д, элвктроемкостным способом.

Особенно необходим предлагаемый резонансный измеритель в тех случаях, ког да отклонения измеряемых неэлектри.ческих величин вызывают весьма малые приращения емкости в первичных емкостных преобраэователях. Резонансный измеритель малых приращений емкости изготовлен в виде макета и исследован с целью оценки его погрешности . 5 измерения, Результаты исследований подтвердили правильность выбора технического решения.

Учитывая простоту схемотехнического решения, несложность изготовления

10 и высокую точность измерения, предлагаемый резонансный измеритель найдет широкое применение в устройствах, предназначенных для измерения неэлект-.. рических величин электроемкостным спо1 собом.

?и Резонансный измеритель малых приращений емкости по авт. св ° 9 808981, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй источник стаби лизированного постоянного напряжения, электронный ключ и блок формирования стробирующих импульсов, вход которо-. го подключен к выходу генератора низкой частоты, выход подключен к управляющему входу генератора высокой частоты и к управляющему входу электронного ключа, вход электронного ключа подключен к второму источнику стаби. лизированного напряжения, а его вы" ход - к входу узкополосного фильтра.

9Э1331

Составитель Л.Сотникова

Редактор A.Êîçîðèç Техред Е.баритончик . Корректор М.Коста

Заказ 124/62 Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная, 4