Устройство для измерения внутреннего сопротивления конденсатора

Изобретение относится к электроизмерительной технике и преднаэначенодля измерения внутреннего сопротивления электрических конденсаторов,Целью изобретения является повышение точности измерения путем исключения наиболее значимой составляющейпогрешности измерения напряжения вмомент достижения максимального значеОния тока заряда.На фиг, 1 представлена функцио 1нальная схема устройства для измерения внутреннего сопротивления конденсатора;.на фиг. 2 - схема выполненияразрядного ключа; на фиг. 3 - схемавыполнения дифференциатора; на фиг.4 то же, блока управления; на фиг,5временные диаграммы процессов в цепях устройства для измерения внутреннего сопротивления конденсатора;на фиг. 6 - то же, в цепях блока управления,Устройство для измерения внутреннего сопротивления конденсатора 25(БУ), разрядный ключ 2, блок 3 выборки и хранения, вычислитель 4, генератор 5 тока, генератор 6 тока,эталонный конденсатор 7, контролиру Оемый конденсатор 8, генератор 9 тактовых импульсов, дифференциатор 10,интегратор 11, дифференциальный усилитель 12,Блок 1 управления подключен сво 35им первым выходом к первому (управляющему) входу разрядного ключа 2, авторым выходом - к первому (управляющему) входу блока 3 выборки и хранения, соединенного выходом с входом 4 Овычислителя 4, Выход генератора 5 тока подключен к второму (силовому) входу разрядного ключа 2 и первому выводу эталонного конденсатора 7, выходгенератора 6 тока соединен с первым 45выводом контролируемого конденсатора8, вторые выводы обоих конденсаторов7 и 8 подключены к общей шине. Первыйвход дифференциального усилителя 12соединен с выходом генератора 5 токаи первым входом дифференциатора 10,подключенного своим вторым входом квыходу генератора Ь тока и к второмувходу дифференциального усилителя 12,выход которого подсоединен к второму(сигнальному) входу блока 3 выборкии хранения, третий (управляющий) входдифференциатора 10 подключен к третьему выходу блока 1 управления, вход которого подсоединен к выходу генератора 9 тактовых импульсов, выход дифференциатора 10 подключен к входуинтегратора 11, выход которого соединен с управляющим входом генератора5 тока, а третий (силовой) .вход разрядного ключа 2 соединен с выходомгенератора 6 тока,Разрядный ключ 2 (фиг, 2) выполненна транзисторе 13 и двух разделительных диодах 14 и 15, аноды которыхявляются вторым и третьим (силовыми)входами разрядного ключа 2, а катодыобъединены и подключены к коллекторутранзистора 13, база которого является первым (управляющим) входом разрядного ключа 2, а эмиттер соединенс общей шиной 16.Лиффеденциатор 10 (фиг, 3) выполнен на управляемом опеоационном усилителе 17, соединенном своим выходомчерез резистор 18 с инвертирующимвходом, к которому подключены последовательно соединенные конденсатор19 и резистор 20, образующие первыйвход дифференциатора 10. Второй входобразуют последовательно соединенныерезистор 21 и конденсатор 22, поаключенные к неинвертирующему входуоперационного усилителя 17, соединенному через резистор 23 с общей шиной,Управляющий вход операционного усилителя 17 подключен к коллектору транзистора 24, эмиттер которого черезрезистор 25 соединен с общей шиной,а база является третьим (управляющим)входом дифференциатора 10 и через резистор 26 соединена с источником смещения,Блок 1 управления выполнен нацифровых микросхемах (фиг, 4) н содержит двоичный счетчик 27, вход С 1которого является входом блока 1управления. Выход "1" счетчика 27соединен с его же входом С 2, К выходам "2", "4" и "8" присоединены входы инверторов 28, 29 и 30 соответственно. Первый и второй входы элемента 4 И-НЕ 31 соединены с входами "1"и "4" счетчика 27, а третий и четвертый входы - с выходами инверторов 30и 28, Выход элемента 4 И-НЕ 31 присоединен к входу инвертора 32, выходкоторого является вторым выходомблока 1 управления, Первый, второйи третий входы элемента 4 И-НЕ 33 соединены с выходами ннверторов 28, 29и 30 соответственно, четвертый входобъединен с третьим, а выход подключен к первому входу элемента 2 И-НЕ34, второй вход которого присоединенк выходу инвертора 30, а выход соединен с входом иивертора 35, выходкоторого является третьим выходомблока 1 управления. Вход инвертора36 подключен к выходу инвертора 30,а выход является первым выходом блока 1 управления.Реализация вычислителя 4 определяется целевым назначением устройства и выполняется в виде цифровогоизмерительного прибора (вольтметра),микроЭВМ и др.Устройство для измерения внутреннего сопротивления конденсатораработает следующим образом,Циклический режим работы устройства определяется блоком 1 управления, в котором последовательностьимпульсов, следующих от генератора 9тактовых импульсов, преобразуется спомощью счетчика 27 и логическихэлементов (инверторов) 28-36. В результате из импульсов Г (фиг. 6 а)получаются: на первом выходе "1"счетчика 27 (путем деления на 2) - 0(фиг. 66); на втором выходе "2" (деление на 4) - Г, (фиг, бв); натретьем выходе "4 (деление на 8)Уу з(фиг. 6 г); на четвертом выходе"8" (деление на 16) -, совпадающие с последовательностью импульсовна первом выходе БУ - 0 , (Фиг. 6 д);на третьем выходе (после логическихэлементов 33-35) - 0, (фиг. 6 е); навтором выходе (после логических элементов 3 и 32) - 0 1 (фиг. 6 ж). Напряжение поступает на управляющийвход разрядного ключа 2, работающегов режиме включен - выключен, т.е.транзистор 13 насыщен - отключен,Предположим, что разрядный ключ2 был включен, эталонный и контролируемый конденсаторы 7 и 8 полностьюразряжены, затем транзистор 13 разрядного ключа 2 выключается и отгенераторов 5 и 6 тока поступает токзаряда обоих конденсаторов (для примера на фиг. 5 а показан ток 1 заряда контролируемого конденсатора 8).Причем токи заряда поддерживаютсяпостоянными на протяжении всего процесса заряда (ток имеет форму прямоугольного импульса), Напряжениена обкладках конденсаторов 7 и 8 призаряде постоянным током нарастает567099 10 5 20 25 30 35 40 45 50 55 6по линейному закону О, и О, (фиг.5 б,в). При включении транзистора 13 разрядного ключа 2 происходит относительно быстрый разряд конденсаторов 7 и 8, а токи генераторов 5 и 6 тока протекают также через транзистор 3, Затем процессы заряда - разряда конденсаторов повторяются, Линейно нарастающие напряжения на заряжающихся конденсаторах 7 и 8 поступают на вход дифференциального усилителя 12. где сравниваются, и разность ( (фиг. 6 и) проходит на вход блока 3 выборки и хранения, где по команде блока 1 управления в виде импульсов(фиг. 5 к) происходит выборка и запоминание напряжения Из (фиг. 5 л), которое затем обрабатывается в вычислителе 4, и результат представляется оператору или в ЭВМ.Кроме того, в устройстве имеется канал регулирования тока заряда эталонного конденсатора 7 генератором 5 тока через дифференциатор 10 и интегратор 11, При необходимости возможно регулирование тока заряда контролируемого конденсатора 8 вторым генератором 6 тока от интегратора 11 (связь показана пунктиром на фнг,1). Регулирование тока заряда необходимо при отлиЧии скоростей нарастания напряжений на конденсаторах 7 и 8. В процессе измерения скорости д 0 ЙС и д 0 /дТ (фиг. 5 г,д) должны быть выравнены, Выравнивание осуществляется с помощью дифференциатора 1 О, На первый и второй входы дифференциатора поступают 0исоответственно, которые дифференцируются цепочками 19, 20 и 21, 22 и сравниваются операционным усилителем 17. На его выходе (на выходе дифференциатора 10) получается разность напряжений, равная нулю при равенстве скоростей напряжений на конденсаторах 7 и 8 или представляющая собой положительное (отрицательное) напряжение (фиг. 5 ж) при неравных скоростях, Операция дифференцирования и сравнения происходит при включенном транзисторе 24, т,е. при наличии управляющего сигнала 01 з (Фиг. 5 е) на третьем (управляющем) входе, поступающего с третьего выхода блока 1 управления, В этом случае транзистор 24 открыт напряжением смещения через резистор 26, а выходной транзистор логического инвертора 36 блока 1 уп 1567 ч 199равления закрьгг, При появлении логического нуля 11 транзистор 24 закрывается и на выходе дифференциатора 1 О напряжение становится нулевьи. С выхода дифференциатора 10 импульсы 0 поступают на интегратор 11, накапливающий напряжение на выходе 1), (фиг. 5 з) пропорционально амплитуде 1), , а во время паузы 1)1 О остается постоянным, Относительно медленно изменяющееся напряжение с интегратора 11 идет на управляющий вход генератора 5 тока и регулирует силу тока заряда эталонного конденсатора 7, постепенно обеспечивая равенство скоростей нарастания напряжения на обкладках обоих конденсаторов 7 и 8, завершается процесс регулирования при получении импульса с нулевой амплитудой на выходе дифференциатора 1 О (фиг. 5 ж,з). При этом на выходе дифференциального усилителя 12 импульс будет иметь постоянную амплитуду, пропорциональную его 25 коэффициенту усиления Ку и падению напряжейия 611 на внутрейнем сопротивлении контролируемого конденсатора 8 и равную Б=Куй) (фиг. 5 и) . В свою очередь ЙБ - это одна из составляющих падения напряжения на конденсаторе 8, вторая составляющая - линейно нарастающее напряжение (фиг. 5 б) равна Ж=К 1 с (1 =1- амплитуда тока заряда контролируемого конденсатора 8, выбираемая исходя из удоб 35 ства расчетов и обеспечивающая достаточный для измерения уровень Д Б.В связи с наличием у конденсаторов паразитной индуктивности процесс ус тановления постоянной амплитуды тока заряда может сопровождаться появлением высокочастотной составляющей напряжения на обкладках во время прохождения фронта импульса тока заря 45 да, Высокочастотные помехи сказываются на точности измерения. Исключается влияние помех за счет сдвига импульса считывания Б (фиг. 5 к) наотносительно фронта 1 и считывания уровня Бна узком временном интервале, чего вполне достаточно для запоминания в блоке 3 выборки и хранения и отсекания высокочастотных помех, Во время импульса Б сдлительностью 2 уровень 11 фиксируется в блоке 3 выборки и хранения до прихода следующего импульса и обрабатывается вычислителем 4, причем при равенстве скоростей нарастания напряжений на конденсаторах 7 и 8 осуществляется полная компенсация емкостной (линейно нарастающей) составляющей напряжения на конденсаторе (эа счет сравнения напряжений на конденсаторах 7 и 8), индуктивная составляющая (падение напряжения на параэитной индуктивности) равна нулю при постоянном токе заряда, высокочастотные помехи и колебания исключаются за счет селективной выборки - все это позволяет выделить падение напряжения на внутреннем сопротивлении контролируемого конденсатора 8 311. ПО этой причине и в связи с тем, что падение напряжения на внутреннем сопротивлении эталонного конденсатора 7 пренебрежимо мало (выбирается конденсатор малой емкости с незначительным внутренним сопротивлением, а из-за малой емкости ток заряда должен быть также малым, ио дБс/с 1 С=1/С), внутреннее сопротивление контролируемого конденсатора можно вычислить в вычислителе 4 по формулеБ йкКК 1 Статическая погрешность, связаннаяс возможным неравенством скоростейнарастания напряжений на обоих конденсаторах и вызванная неточностьюрегулирования, в устройстве для измерения внутреннего сопротивления конденсатора исключается, поскольку система регулирования является астатической (содержит интегратор).Переход к сравнению скоростей нарастания напряжений на обкладках эталонного и контролируемого конденсаторов позволяет исключить емкостнуюсоставляющую напряжения на конденсаторе, а осуществление заряда токомс постоянной амплитудой - индуктивную составляющую (на внутренней индуктивности конденсатора). В результате выделяется одна требуемая составляющая - падение напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора,Это позволяет устранить наиболеезначимую составлявшую погрешности -нахождение максимума тока заряда иизмерения напряжения на конденсаторев области максимального значения тока, где скорость нарастания этогонапряжения наибольшая,формула изобретения устройство для измерения внутреннего сопротивления конденсатора, содержащее последовательно соединенные блок управления и разрядный ключ, последовательно соединенные блок выборки и хранения и вычислитель, а также первый и второй генераторы тока,1 О эталонный и контролируемый конденсаторы, выход первого генератора тока подключен к второму входу разрядного ключа и первому выводу эталонного конденсатора, выход второго генератора тока соединен с первым выводом контролируемого конденсатора, вторые выводы эталонного и контролируемого конденсаторов подключены к общЕй шине, второй выход блока управления 20 соединен с первым входом блока выборки и хранения, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повмченин точности измерения, в устройство введены последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, дифьеренциатор и интегратор, а также дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с первым входом дифференциатора, подключенного своимвторым входом к выходу второго генератора тока и к второму входу дифференциального усилителя, выход которого присоединен к второму входу блокавыборки и хранения, третий вход диф"ференциатора подключен к третьему выходу блока управления, вход которогоподсоединен к выходу генератора тактовых импульсов, выход интеграторасоединен с управлялпим входом первого генератора тока, третий вход разрядного ключа соединен с выходом вто"рого генератора тока.О1,8 иг Редакто Заказ 132 ВНИИПИ Го при ГКНТ ССС Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1 0 и 4 к,г О Ць.Маковская Техред Л.олийнык Корректор Л. Патай Тираж 551 Подписное дарственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, %-35, Раушекая наб., д. 4/