Резонансный измеритель малых приращений емкости

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ в 991331 Союз СоветскихСоцналнстичесникРеспублик(22) Заявлено 27.03. 81 (21) 326480218-21 с присоединением заявки Й 8 6 01 В 27/26 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(23) Приоритет Опубликовано 23,01,83. Бюллетень Мо 3 Дата опубликования описания 2101.83 31 УДК 621. 317. 738(71 ) Заявитель . Киевский технологический институт легкой промышленности54) РЕЗОНАНСНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ ПРИРАЩЕНИЙЕМКОСТИ Изобретение относится к измерениям электрических величин, а именно к измерениям электрических .параметров элементов электрических цепей.По основному авт. св. 9 808981 известен резонансный измеритель малых приращений емкости, который сос" тоит иэ двух генераторов высокой и низкой частоты, колебательного конту" ра, 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 из-. мерения, обусловленные нестабильностью параметров элементов колебательного контура, но и все погрешности (аддитивные и мультипликативные)1 измерительного тракта 11.Недостатком этого устройства является наличие погрешностей измерения, обусловленных температурной и временной нестабильностью в работе переключателя. Цель изобретения - повышение точ"ности измерения.Поставленная цель достигается тем,что в резонансный измеритель малых приращений емкости, содержащий переключатель, входы которого соединены с контролируемым и управляемым кон" денсаторами, 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 яетектора, другой вход которого соединен с выходом генератора низкой частоты и управляющим входом переключателя, а выход синхронного детектора 2 О подключен через регистрирующий индикатор с одним иэ входов сумматора, другой вход которого связан с источником 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 стаби- ЗО .лизированного постоянного напряже991331 ния, электронный ключ и блок формиро"вания стробирующих импульсов, вход которого подключен к выходу генератора низкой частоты, выход подключенк управляющему входу генератора высокой частоты и к входу электронного 5ключа, вход электронного ключа подключей к второму источнику стабилизированного напряжения, а его выход -к входу узкополосного фильтра.На чертеже представлена Функциональная схема предлагаемого устройства.Устройство содержит генератор 1высокой частоты, подключенный черезконденсатор 2 связи к колебательномуконтуру 3, параллельно которому включены последовательно соединенные варикап 4 и конденсатор 5. Амплитудныйдетектор б, вход которого подключенк колебательному контуру 3, а еговыход связан через узкополосный 20фильтр 7 с входом усилителя 8 низкойчастоты и через фильтр 9 нижних частот с одним из входов дифференциального усилителя 10. Второй вход усилителя 10 соединен с источником 11 25стабилизированного постоянного напряжения, а его выход подключен к местусоединения аарикапа 4 и конденсатора 5. Конденсатор 5, варикап 4,фильтр9, 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 подключен к выходу усилителя 8 низкой частоты. Переключатель 14, генератор15 низкой частоты и два конденсатора (контролируемый 16 и управляемый 17) подключены к входам переключате 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 детектора 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 стабилизироаан ного постоянного напряжения, а его выход подключен к входу узкополосного фильтра 7. Устройство содержит также регистрирующий индикатор 21, сумматор 22, делитель 23 напряжения 60 и источник 24 стабилизированного постоянного напряжения, вход которого подключен через делитель 23 напряжения 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 управляюще" му 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 соединенныеварикап 4 и конденсатор 5. Колебательный контур настраивают так, что егорабочее напряжение, так называемаярабочая точка, находится на боковойветви резонансной кривойНапряжениеколебательного контура 3, выпрямленное амплитудным детектором б, подают через узкополосный фильтр 7 на входусилителя 8 низкой частоты и черезфильтр 9 нижних частот - на один извходов дифференциального усилителя 10,на второй вход которого подают такоеже по величине постоянное напряжениеот источника 11 стабилизированногонапряжения. 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 вызо" вет 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 генерато" ра 15 низкой частоты имеет Форму меандра, При помощи переключателя 14 происходит поочередное подключение к колебательному контуру 3 контроли" руемого 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 неподвиж" ными контактами, После окончания дре"беэга следует режим установившег сяпостоянного контакта. Так как на дребезг и на время переброса подвижного контакта переключателя 14 сущест-венное влияние оказывают температура, инерционные и гравитационные си"1 ы и т.д. (причем эти Факторы по разному влияют на дребезг и на время 5переброса контакта в прямом и обратном направлении), то изменяется и время подключения контролируемого 16и у.равляемого 17 конденсаторов,чтоприводит к появлению погрешностей из мерения. Для существенного уменьшения ука" занных погрешностей необходимо в процессе измерения исключить влияниевремени 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 мирования стробирующих импульсов, а также связей между ними.Напряжение генератора 15 низкой частоты поступает на блок 20 формирования стробирующих импульсов, кото" 25 рый под воздействием этого напряжения Формирует стробирующие импульсы, длительность которых устанавливается несколько большей, чем суммарное время переброса контакта и его дребезга. Строб-импульсы с выхода блока 20 формирования стробирующих импульсов подаются на управляющий вход генератора 1 высокой частоты и на управляющий вход электронного ключа 19. ПрипостуПлении стробирующего импульсана генератор 1 высокой частоты онвыключается (запирается) на времядлительности импульса, что приведетк исчезновению напряжения на колебательном контуре 3 и, следовательно,на имплитудном детекторе б. Учитывая, что включение и выключение ге 40 нератора 1 высокой частоты может производиться электронным способом, аскорость появления и исчезновенйянапряжения на колебательном контуре3 и амплитудном детекторе б относи 45 тельно большая, поэтому фронты напряжения, вызванные включением и выклю"чением генератора 1 высокой частотына амплитудном детекторе б, будутдостаточно крутыми. 50 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 посто"янного напряжения устанавливаетсяравным напряжению постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора б, величина которого поддерживается на определенном уровне с помока 20 формирования стробирующих импульсов поступает также на электрон" 55 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 б 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 происходит отключение генератора 1 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 амплитудногодетектора б не содержит составляющих, свя" занных с нестабильностью времени переброса и дребезга подвижного контакта, Провалы напряжения в выход ном сигнале амплитудного детектора б, 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 бНеполная компенсация проваловф, которая может иметь место из-за не" точной установки напряжения источни" . ка 18 из-за временной и температурной нестабильности коэффициента пе" редачи электронного ключа 19 и из-за возможного дрейфа напряжения постоянной составляющей на выходе амплитудного детектора б приведет к появ" лению информационной переменной составляющей, частота которой в два ра- . за выше частоты информативного сигнала (частоты коммутации). Однако эта 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 по" давлять 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 составляю" щая низкой частоты, величина которой определяется разностью емкостей контролируемого и управляемого конденсаторов 16 и 17,приращения емкости в первичных емкостныхпреобраэователях. Резонансныйизмеритель малых приращений емкостиизготовлен в виде макета и исследован с целью оценки его погрешности, 5 измерения, Результаты исследованийподтвердили правильность выбора технического рвшвния.Учитывая простоту схемотехнического решения, несложность изготовления10 и высокую точность измерения, предлагаемый резонансный измеритель найдетширокое применение в устройствах,предназначенных для измерения неэлект-рических величин электроемкостным спо 15 собом,Формула изобретения Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 808981 по заявке Р 2700215/21,4 О кл. 6 01 В 27/26, 20,12,78, Переменная составляющая сигнала 4 альтруется, усиливается и поступает ,на синхронный детектор 13, на выходекоторого 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 входкоторого 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 емкос" тей между контролируемым 16 и. управ" ляемым 17 конденсаторами. Величина тока, протекающая через регистрирующий индикатор 21, функционально связана с приращением емкости контролируемого конденсатора 16.Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с известным су" щественно повышается точность измерения за счет исключения погрешностей,1 обусловленных твмпвратурйой и временной нестабильностью в работе переключателя 14.Исключение указанных погрешностей измерения в првдлагаемом резонансном измерителе позволит применить его в устройствах, которые предназначены для измерения неэлектрических вели" чин, например толщины диэлектрииес" ких пленок,. диаметра диэлектрических нитей, влажности материалов и воздуха и т.д , элвктроемкостным способом. Особенно необходим предлагаемый резонансный измеритель в твх случаях, ког да отклонения измеряемых неэлектри.ческих величин вызывают весьма малые 20 Резонансный измеритель малых приращений емкости по авт. св. Р 808981, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышенияточности 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 электрон" ного ключа, вход электронного ключа подключен к второму источнику стаби лизированного напряжения, а его вы" ход " к входу узкополосного фильтра.ста Зака филиал ППП фПатентф, г.ужгород, ул,Проектная 4/62 Тираж 70 ВНИИПИ Государственн по делам изобретен 113035, Москва, ЖПодписноего комитета СССРй и открытийРаушская наб., д, 4/5