Интегрирующий электрометр

СОКИ СОВЕТСНИХОВИЛЮМЕВРЕСПУБВИН ОЕ 61) 9 00 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТЕЛЬСТВ К АВТОРСКОМ(54)(57)содержащийтель, междвходом коинтегрируюзапоминаю УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧМРЫТИ(56) 1. Гутников В.С. Интегральнаяэлектроника в измерительных устройствах. Л., 1980, с. 60-62, рис. 3-15.2. Авторское свидетельство СССРВ 421943, кл. С О 1 К 19/00, 1974(прототип). НТЕГРИРУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОМЕТ ектрометрический усилиыходом и инвертирующнм го параллельно включены конденсатор и ключ, и конденсатор, первый электрод которого подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя, о т л и ч а ю щ и й с я твм, что, с целью повышения точности преобразования малых токов и зарядов, в ыего введены токозадающий гигаомный резистор, включенный между инвертирующнм входом электрометрического усилителя и первым электродом запоминающего конденсатора, второй электрод которого подключен к общей шине, и программируемый генератор импульсов, подключенный к управляющим входам ключа и переключателя, причем общий контакт переключателя соединен с выходом электрометрического усилителя, а нор-мально замкнутый контакт подключен к общей шине.112. Электрометр по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что в него введен усилитель напряжения, снабженный дифференциальным входным каскадом, неинвертирующий вход которого через токоограничивающий резистор соединен с выходом электрометрического усилителя, выход подключен к общему контакту переключателя, а инвертирующий вход подключен к регулируемому источнику двуполярного напряжения.3. Электрометр по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что в него 04426введен токоограничивающий резистор,включенный между выходом усилителянапряжения и общим контактом переключателя,4. Электрометр по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что в него введен помехогасящий резистор, зашунтированный двумя параллельйо и встречно включенными диодами, подключенный межпу первым электродом запоминающего конденсатора и нормально разомкнутым контактом переключателя.Изобретение относится к электро- измерительной технике и может быть применено при построении устройств для измерения малых токов и зарядов, поступающих, например, от пьезоэлектрических датчиков.Известны интегрирующие электрометры, содержащие электрометрический усилитель, представляющий собой, в частности, операционный усилитель 10 постоянного тока с дополнительным входным каскадом на МОП-транзисторах, охваченный обратной связью через интегрирующий конденсатор, параллельно которому установлен ключ. Ключ поз воляет производить начальную установку выходного напряжения путем быстрого разряда интегрирующего конденсатора при замыкании ключа 11.20Недостатком устройства является низкая точность преобразования малых токов и зарядов вследствие дрейфа нуля усилителя и наброса заряда на интегрирующую емкость. 25Наиболее близким к предложенному является интегрирующий электромотор, содержащий электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены интегрирующий конденсатор и ключ, переключатель и запоминающий конденсатор, первый электрод которого подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя, а второй - к выходу электрометрического усилителя Однако известное устройство не устраняет погрешности электрометра на его рабочей, измерительной, стадии, связанной с наличием паразитного тока на входе электрометра, в частности собственного тока самого электрометрического усилителя, паразит- ного тока пьезоэлектрического датчика, подключенного к входу электрометра, и т,д., что имеет особенно большое значение при измерении малых токов и зарядов.Цель изобретения - повышение точности преобразования малых токов и зарядов.Поставленная цель достигается тем, что в интегрирующий электрометр, содержащий электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены интегрирующий конденсатор и ключ, и запоминающий конденсатор, первый электрод которого подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя, введены токозадающий гигаомный резистор, включенный между инвертирующим входом электрометрического усилителя и первым электродом запоминающего конденсатора, второй электрод которого подключен к общей шине, и программируемый генератор импульсов, подключенный к управляющим входам ключа и переключателя, причем общий контакт переключателя соединен с выходом электрометрического усилителя, а нормально замкнутый контакт подключен к общей шине.При этом в интегрирующий электрометр введен усилитель напряжения,снабженный дифференциальным входнымкаскадом, неинвертирующий вход которого через токоограничивающий резистор 5соединен с выходом электрометрического усилителя, выход подключен к общему контакту переключателя, а инвертирующий вход подключен к регулируемомуисточнику двуполярного напряжения.10Кроме того, в него введен токоограничивающий резистор, включенныймежду выходом усилителя напряжения иобщим контактом переключателя, атакже помехогасящий резистор, зашунтированный двумя параллельно и встречно включенными диодами, подключенныймепду первым электродом запоминающего конденсатора и нормально разомкнутым контактом переключателя,На фиг.1 представлена схема интегрирующего электрометра; на фиг,2 -временные диаграммы напряжений электрометра, поясняющие его работу.- Электрометр содержит электрометрический усилитель 1, межцу выходоми инвертирующим входом которогопараллельно включены интегрирующий конденсатор 2 и ключ 3, запоминающий конденсатор 4, первый электрод которогочерез помехагасящий резистор 5, зашунтированный встречно и параллельновключенными диодами 6 и 7, подключенк нормально разомкнутому контактупереключателя 8 и первому выводу гигаомного резистора 9,второй вывод которого соединен с инвертируюпФмвходом электрометрического усилителя,а второй электрод подключен к общейшине, управляющие входы ключа 3 и 40переключателя 8 подключены к программируемому генератору 10 импульсов,нормально разомкнутый контакт переключателя 8 соединен с общей шиной, аего общий контакт через токоограни" 45.чивающий резистор 11 соединен с выходом усилителя 12 напряжения, неинвертирующий вход которого через резистор 13 соединен с выходом электрометрического усилителя 1, инвертирующий вход подключен к регулируемомуисточнику 14 двуполярного напряжения. Электрометр работает следующимобразом.По поступлении кратковременногоимпульса напряжения(диаграмма 15,фиг.2) на управляющий вход ключа 3последний замыкается и интегрирующий конденсатор 2 быстро разряжается, причем на выходе электрометра устанавливается напряжение, близкое к нулевому уровню. По заднему фронту указанного импульса ключ 3 размыкается, после чего программируемый генератор 10 импульсов вырабатывает на своем. втором выходе импульс напряжения длительностью, например, порядка 0,1-10 с, поступающий на управляющий вход переключателя 8В результате, токозадающий гигаомный резистор 9 и запоминающий конденсатор 4 оказываются подключенными к выходу электро- метрического усилителя 1.Напряжение на обкладке конденсатора 4 отслеживает с небольшой задержкой выходной уровень электрометрического усилителя 1, и поэтому почти одновременно с увеличением напряжения на выходе начинает увеличиваться компенсирующий ток, поступающий на инвертирующий вход электрометрического усилителя 1 по цепи обратной связи через токозадающий гигаомный резистор 9 и имеющий противоположное направление по отношению к направлению паразитного входного тока электрометра. Вследствие этого результирующий входной ток уменьшается по абсолютной величине и, следовательно, уменьшается скорость изменения напряжения на выходе устройства. Постепенно нарастающий компенсирующий ток цепи обратной связи достигае величины паразитного входного тока электрометра, после чего напряжение на выходе электрометрического усилителя остается на неизменном уровне (диаграмма 16, фиг.2).По окончании импульса (диаграмма 17) переключатель 8 возвращается в исходное положение (фиг. 1), а напряжение на выходе устройства (диаграмма 16) продолжает оставаться на неизменном уровне, поскольку выходное напряжение электрометрического усилителя 1, создающее необходимый компенсирующий ток, запоминается на конденсаторе 4. Разряд конденсатора 4 при этом происходит весьма медленно, что определяется соответствующим выбором величины емкости запоминающего конденсатора 4 и исключительной высокоомностью токозадающего резистора 9, имеющего сопротив 11ление порядка 10-10 Ом, а также высоким сопротивлением изолятора переключателя 8, превышающего значе 110442610 В случае, если пауза до начала эксперимента имеет большую длитель ность и выходное, напряжение электрометра отклоняется от нуля на значительную величину, генератор 10 выра-. батывает повторно импульс (диаграмма 17), при котором вторично корректи- р 5 руется уровень напряжения на запоминающем конденсаторе с компенсацией уходов дрейфа и других паразитных сигналов в электрометре. Таким образом, резистор 9 в сочетании с запоминающим конденсатором 4 образует не только автоматически управляемый источник компенсирующего тока, определяя диапазон парируемых паразитных токов на входе электрометра, но и является нагрузкой для запоминающего конденсатора 4, определяя в первую очередь точность сохранения его заряда в течение всей измерительной стадии. Генератор 10 представляет собой40 программируемый генератор импульсов, запускаемый от испытуемого объекта шин оператором вручную. Длительность импульса (диаграмма 17) на втором выходе генератора 10 может иметь несколько фиксируемых значений, выбира 45 емых заранее. Функции генератора 10 могут выполняться оператором, осуществляюпим ручное переключение ключа 3 и переключателя 8 в нужной временной последовательности (фиг.2). Благодаря указанным схемотехническим особенностям и алгоритму работы в сочетании с ключом, шунтирующим интегрирующим конденсатор, предложенная схема обеспечивает автоматическую установку 55 нулевого выходного напряжения и компенсацию паразитного тока на входе электрометра и, следовательно, осуние 10 Ом, После возвращения переключателя 8 в исходное положениегенератор 10 вырабатывает второй разкратковременный импульс, в результатечего интегрирующий конденсатор 2 прак тически мгновенно разряжается, а выходное напряжение интегрирующегоэлектрометра принимает нулевое значение, сохраняющееся в течение нескольких секунд и даже минут послепереброса ключа 3 в разомкнутое положение.Этот интервал времени соответствует измерительной стадииэлектрометра, нри которой происходит,поступление тока от датчика сигнала 15и его преобразование в величину выходного напряжения электрометра..ществляет компенсацию монотонных изменений электрического заряда .не- нагруженного датчика, происходящих во времени с постоянной скоростью, что, как правило, наблюдается в реальных условиях проведения испытаний при секундных и минутных интервалах времени измерения.Подключение инвертирующего входа усилителя 12 к разнополярным уровням постоянного напряжения источника 13 напряжения обеспечивает, во"первых, компенсацию собственного смещения нуля усилителя 12 напряжения и, вовторых, возможность подстройки на нуль выходного напряжения электрометрического усилителя 1 в режйме компенсации паразитного входного тока электрометра.Применение в электрометре переключателя 8 с подключением его нормально замкнутого контакта к общей шине, и токоограничивающего резистора 11 обеспечивает более высокую степень запоминания компенсирующего сигнала ,на конденсаторе 4 по сравнению с использованием нормально разомкнутого ключа. В последнем случае имеет место паразитный перезаряд запоминающего конденсатора 4 в течение времени измерительной стадии, обусловленный протеканием тока по изолятору ключа под действием выходного напряжения усилителя 12, усиливающего полезный сигнал с выхода интегрирующего электрометра.В случае применения переключателя 8 потенциал общего контакта переклю- . чателя, его нормально замкнутого контакта, корпуса и изолятора переключателя вблизи перечисленных контактов оказывается равным нулю,что и определяет малые токи утечки зарядов конденсатора 4 по изолятору переключателя. Таким образом, изобретение позволяет использовать в электрометре серийно выпускаемые переключатели общего применения вместо специальных прецизионных ключей. В случае, если длительность измерительной стадии является небольшой, что характерно, например, при измерении кратковременных импульсных процессов, вместо переключателя (фиг.1) может быть использован обычный ключ. Применение помехогасящего резистора 5 позволяет в несколько десятков раз .уменьшить переменные состав1104426 7 Фиг Составитель Е. Плужниковактор О. Юрковецкая Техред А. Ач Корректор А.Дзятк Заказ 5204/3 Тираж 711 ПодписноеГосударственного комитета СССРелам изобретений и открытийква, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ВНИИПИ по д 13035, МоФилиал ППП "Патент", г. ужгород, ул, Проектная, 4 ляющие напряжения на запоминающем конденсаторе 4, обусловленные наводкой от промышленной сети, от силовых электрических коммутационных устройств и собственными шумами усилителей 1 и 12. Помехагасящий резистор 5 в сочетании с конденсатором 4 образует фильтр нижних частот, постоянная времени которого выбирается в несколько десятков раз больше, чем пе риод наводимой помехи, При большом сопротивлении помехогасящего резистора 5 применение встречно включенных диодов 6, включенных параллельно резистору 5, позволяет в несколько 15 десятков раз ускорить процесс автоматической компенсации входного паразитного тока.Положительный эффект изобретения заключается в многократном повышении 20 точности преобразования измеряемых малых токов и зарядов, поступающихс датчика на вход интегрирующегоэлектрометра, в величину выходногонапряжения при длительности измерительной стадии порядка 1 с и более.При этом обеспечивается автоматичес-кий режим работы при небольшой длительности стадии автоматической установки нуля. В частности, изобретениепозволяет осуществлять измерениеквазистатических, механических идругих физических величин при использовании в качестве первичных изме-рительных преобразователей пьезоэлектрических кварцевых датчиков силы, давления, ускорений и при использовании пьезокерамических датчиков,а также обеспечивает возможность вы"полнения статической градуировки измерительного тракта с пьезоэлектрическим датчиком.