Способ измерения емкости и устройство для его осуществления

(51)5 6 01 Й 27/26 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ К АВТ Як(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИ ТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУ (57) Изобретение относитс рительной технике и мож вано в средствах измерен величины емкости. Цель и вы шение точности иэмере чения длительности апериодического процесс мой емкости на участке с Я ЕМКОСТИ И УСЩЕСТВЛЕНИЯ я к электроизмеет быть использоия электрической зобретения - пония за счет увелипереходного а заряда измеряенаибольшей кру(21) 4768532/21(71) Научно-исследовательский технческий институт приборостроения(56) Авторское свидетельство СССРМ 1075192, кл. 0 01 В 27/26, 1984. тизной и за счет автоматического совмещения начала заряда емкости с началом импульсной последовательности, характеризующей измеряемую величину, Заряд емкости до уровня срабатывания блока 4 сравнения осуществляют калиброванными по амплитуде импульсами прямоугольной формы, количество которых характеризует измеряемую величину, Регулируя частоту длительности импульсов, можно менять интервал времени заряда емкости в соответствии с быстродействием блока 4 сравнения, выбирал соответствующий уровень можно задавать рабочую точку, на самом крутом участке кривой заряда, Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, калибратор 2 амплитуды, переключатель 3 диапазонов, блок 4 сравнения, измеритель- у ную цепь 5, операционный усилитель 6, устройство 7 сброса, отсчетный блок 8, С индикатор 9. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в средствах измерения электрическойвеличины емкости,Известен метод измерения емкости, 5основанный на измерении интервала времени между началом апериодическогопроцесса затухания на измерительной ВСцепи, когда напряжение равно Оо, и моментом, когда напряжение уменьшается до 1001 = (Ооо ) . Интервал времени заполОоняется квантующими импульсами то, количество которых пропорциональнох йхС 15измеряемой емкости йх =т. т.Количество импульсов подсчитываетсясчетчиком импульсов, отградуированным вединицах измерения емкости.Недостатком данного метода является 20наличие погрешности, вызванной ограниченной разрешающей способностью блокасравнения, конечным значением его быстродействия, несинхронностью начала и конца процесса заряда емкости с началом и 25концом импульсной последовательности,определяющей временной интервал,Известен способ для определения величины емкости, основанный на измерениипервого периода времени заряда через резистивную цепь конденсатора известнойемкости до напряжения срабатывания одного триггер и измерении второго периодавремени заряда через подобную резистивную цепь конденсатора неизвестной емкости до напряжения срабатывания второготриггера с дальнейшим вычислением емкости второго конденсатора с учетом первогои второго периодов времени и емкости первого конденсатора. 40Недостатком данного способа являетсяудвоенная погрешность от измерения первого и второго периодов времени, обусловленная ограниченной разрешающейспособностью первого и второго триггеров, 45конечным значением их быстродействия.Известно устройство для определениявеличины емкости, содержащее два двухполюсных переключателя, две измерительныецепи, два элемента сравнения уровней напряжения в виде двух триггеров и стандартный прибор для измерения периодоввремени (осциллограф или частотомер),Известное устройство предусматриваетдвукратное измерение емкости, что ведет к 55значительному увеличению объективной исубъективной погрешности, Необходимостьдополнительного расчета для определенияизмеряемой величины затрудняет процессавтоматизации процесса измерения. Уменьшается точность измерения за счет невозможности полной синхронизации моментов срабатывания двух переключателей с началом и концом измеряемых периодов времени,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения электрических величин активного сопротивления, индуктивности и емкости, заключающийся в том, что преобразуют измеряемую величину первого элемента последовательной активно-индуктивной или активно-емкостной измерительной цепи, величина второго элемента которой известна, во временной интервал, связанный с началом апериодического процесса установления напряжения постоянного тока на элементах цепи, по длительности которого судят об измеряемой величине, при этом временной интервал ограничивают моментом равенства абсолютных значений напряжений на элементах измерительной цепи, причем по моменту равенства этих напряжений определяют момент равенства нулю суммы напряжений на элементах цепи относительно их общего вывода.Недостатком этого способа является наличие погрешности измерения, обусловленной ограниченным быстродействием элемента сравнения (сумматора), отслеживающего момент равновесия в процессе с большой крутизной. Снижение погрешности за счет увеличения крутизны изменения суммарного напряжения на входе блока сравнения находится в противоречии с возможностью блока сравнения зафиксировать момент равновесия быстро изменяющихся уровней входных напряжений из-за конечного значения его быстродействия.Известно устройство, принятое за прототип, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ, измерительную цепь, сумматор, измеритель, детектор изменения знака, отсчетный блок и блок управления.Известное устройство не обеспечивает достаточно высокую точность измерения изза ограниченного быстродействия сумматора, кроме того,.включение между блоком сравнения и отсчетным блоком усилителя и детектора вносит погрешность от задержки при передаче сигнала на остановку счета в отсчетный блок. Дополнительную погрешность вызывает невозможность жесткой синхронизации моментов начала заряда емкости и начала отсчета временного интервала,Цель изобретения - повышение точности измерения за счет увеличения длительности переходного апериодического10 15 20 25 30 С -В 35 40 45 50 процесса заряда измеряемой емкости на участке с наибольшей крутизной и за счет автоматического совмещения начала заряда емкости с началом импульсной последовательности, характеризующей измеряемую величину.Поставленная цель достигается тем, что при способе, заключающемся в том, что преобразуют измеряемое значение емкости первого элемента последовательной активно-емкостной измерительной цепи, величина второго элемента которой известна, во временной интервал между началом апериодического процесса установления напряжения заряда емкости и момент совпадения напряжения на измеряемой емкости с опорным уровнем, причем процесс заряда осуществляют калиброванными по амплитуде импульсами прямоугольной формы, количество которых характеризует измеряемую величину.Кроме того, в устройство, содержащее измерительную цепь, выполненную в виде последовательно соединенных активного сопротивления и емкости и отсчетный блок, введены генератор прямоугольных импульсов, калибратор амплитуды, переключатель диапазонов, устройство сравнения, операционный усилитель, устройство сброса и индикатор, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом калибратора амплитуды, выход которого соединен с первым входом переключателя диапазонов, первый выход которого соединен с первым входом операционного усилителя и с первым входом измерительной цепи, выход которой соединен с первым входом устройства сравнения, на второй вход которого подается Ооп, а выход соединен с вторым входом переключателя диапазонов, второй вход которого соединен с вторым входом операционного усилителя, выход которого соединен с входом отсчетного блока и с первым входом устройства сброса, первый выход которого соединен с вторым входом измерительной цепи, а второй выход которого соединен с первым входом индикатора и вторым входом отсчетного блока, выход которого соединен с вторым входом индикатора.На фиг. 1 приведены временные диаграммы процесса измерения; на фиг. 2 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 - функцио нальная схема устройства.В известном способе снижения погреш-ности измерения из-за конечного значения разрешающей способности блока сравнения добиваются путем увеличения крутизны изменения входного напряжения, но при этом скорость изменения напряжения зависит от величины элементов измерительной цепи и ограничивается конечным значением быстродействия элементов сравнения.Способ позволяет снизить погрешность измерения из-за конечного значения разрешающей способности блока сравнения путем выбора точки срабатывания блока сравнения на самом крутом участке кривой заряда измеряемой емкости и одновременно устранить погрешность измерения из-за ограниченного быстродействия блока сравнения эа счет возможности регулирования интервала времени заряда.Способ заключается в следующем: При поступлении на измерительную цепь калиброванных по амплитуде импульсов (фиг. 1 а) происходит заряд контролируемой емкости. Каждый импульс заряжает емкость до определенного уровня (ступенька, фиг. 1 б), Заряд емкости происходит до величины, равной Ооп. Время заряда пропорционально величине измеряемой емкости и определяется количеством импульсов, поступающих на измерительную цепь, их длительностью, Величина емкости определяется отношением где т, - длительность тактовых импульсов;й - сопротивление измерительной ВС- цепи;М - количество импульсов, необходимое для заряда емкости до величины О,Выбирая амплитуду, регулируя частоту и длительность импульсов, а также устанавливая соответствующее Ооп, можно задать точку равенства Ооп и Озаряда емкости (уровень срабатывания элемента сравнения) на самом крутом участке кривой заряда и отрегулировать скорость заряда емкости в соответствии с быстродействием устройства сравнения.Кроме того, начало процесса заряда автоматически совпадает с началом импульсной последовательности, количество импульсов в которой характеризует измеряемую емкость.Устройство измерения емкости содержит (фиг. 2) генератор 1 прямоугольных импульсов, калибратор 2 амплитуды, переключатель 3 диапазонов, устройство 4 сравнения, измерительную цепь 5, операционный усилитель 6, устройство 7 сброса, счетный блок 8 и индикатор 9. Выход генератора 1 соединен с входом калибратора 2 амплитуды, выход которого соединен с пер 1725158вым входом переключателя диапазонов 3. Первый выход переключателя 3 диапазонов соединен с первыми входами операционного усилителя 6 и измерительной цепи 5, Второй вход измерительной цепи 5 соединен с первым выходом устройства 7. Выход измерительной цепи 5 соединен с первым входом устройства 4 сравнения, на второй вход которого поступает опорное напряжение Ол. Выход устройства 4 сравне.ния соединен с вторым входом переключателя 3 диапазонов, второй вход которого соединен с вторым входом операционного усилителя 6. Выход последнего соединен с первым входом счетного блока 8 и с входом устройства 7 сброса, второй выход которого соединен с первым входом индикатора 9 и с вторым входом счетного блока 8, Выход последнего соединен с вторым входом индикатора 9.На фиг. 3 приведена функциональная схема устройства измерения емкости, показаны радиоэлементы, на которых построены блоки 2 - 5 и 7, и связи между ними, Генератор 1 прямоугольных импульсов через разделительный конденсатор С 1 соединен с входом калибратора 2 амплитуды. Калибратор амплитуды состоит из дифференциального усилителя на транзисторах ЧТ 1 и ЧТ 2, в коллекторы которых включены нагрузочные резисторы Я 2 и Й 4. Эмиттеры транзисторов ЧТ 1 и ЧТЗ соединены и подключены к общей нагрузке ЯЗ. Базы транзисторов ЧТ 1, ЧТ 2 через резисторы соединены с общей цепью, Выходы дифференциального усилителя через конденсаторы С 2, СЗ подключены к управляющим диодам диодного коммутатора на диодах ЧО 1 - ЧО 4. Аноды диодов ЧО 1, ЧО 3 соединены и через резистор Й 6 подключены к шине +15 В, катоды диодов ЧО 2 и ЧО 4 соединены и подключены через резистор Я 7 к шине -15 В, К аналоговому входу диодного коммутаторов через резистор Й 8 подается опорное напряжение Ооп, величина которого определяется стабилитроном ЧО 5. Выход диодного коммутатора соединен с входом переключателя 3 диапазонов, собранного на переключателе Я 1. Диапазон измерения емкости выбирается с помощью резисторов Й 10 - Й 14, соединенных через ограничительный резистор Я 16 с неинвертирующим входом операционного усилителя 6, Общая точка резисторов Й 10-Я 14 соединена с калиброванным резистором Й 17, входящим в измерительную цепь 5, и с инвертирующим входом операционного усилителя 6, Второй конец Я 17 соединен с анодом зарядного диода ЧО 7, Катод зарядного диода ЧО 7 соединен с контролируемой5 10 15 20 25 3035 40 45 50 55 емкостью Сх и с неинвертирующим входом компаратора О 1 устройства 4 сравнения. Инвертирующий вход компаратора 01 соединен с опорным стабилитроном ЧО 6 и через резистор Й 15 с шиной +15 В. На стабилитроне ЧО 6 формируется Ооп. Выход компаратора О 1 через резистор Й 9 соединен с базой транзистора ЧТЗ, эмиттер которого соединен с общей цепью, а коллектор - с общей точкой Я 10-Й 14. Выход операционного усилителя 6 соединен с входом счетного блока 8 и анодом диода ЧО 9, расположенным на входе устройства 7 сброса, Катод диода ЧО 9 соединен с неинвертирующим входом компаратора 02, зарядным конденсатором С 4, резистором Й 19, второй выход которого соединен с общей цепью. Выход компаратора О 2 соединен с входом одновибратора ОЗ, выход которого соединен с цепями сброса счетного блока 8 и индикатора 9, а через резистор Й 20 соединен с базой транзистора ЧТ 4. Эмиттер ЧТ 4 через резистор Й 18 соединен с шиной -15 В, а через диод ЧО 8 - с общей цепью. Коллектор ЧТ 4 соединен с измеряемой емкостью Сх измерительной цепи 5.Устройство измерения емкости работает следующим образом,Импульсы прямоугольной формы (фиг.1 а) с генератора 1 через разделительный конденсатор С 1 поступают на вход дифференциального усилителя на транзисторах ЧТ 1, ЧТ 2. С коллектора транзистора ЧТ 1 импульсы отрицательной полярности через разделительный конденсатор С 2 подаются на аноды диодов ЧО 1, ЧО 3. С коллектора транзистора ЧТ 2 импульсы положительной полярности через разделительный конденсатор СЗ подаются на катоды диодов ЧО 2, ЧО 4, Диоды ЧО 1 - ЧО 4 образуют диодный коммутатор, с помощью которого формируются импульсы напряжения, равные по амплитуде напряжению прецизионного стабилитрона ЧО 5. В исходном состоянии импульсы с дифференциальнбго усилителя на диодный коммутатор не подаются, коммутатор открыт. Через диоды коммутатора протекает ток с шины+15 В, через резистор Й 6, открытые диоды ЧО 1 - ЧО 4, через резистор Яаана шину -15 В, При использовании в коммутаторе диодной матрицы, в которой диоды имеют близкие вольт-амперные характеристики, величины напряжения в точках О, К равны. Напряжение на выходе коммутатора в точке К равно нулю,При поступлении на аноды диодов ЧО 1, ЧО 3 отрицательного импульса, а на катоды диодов ЧО 2, ЧО 4 положительного импульса, диоды закрываются и напряжение в точке К становится равным напряжению настабилитроне ЧО 5. Таким образом, в точке К формируются импульсы напряжения калиброванной амплитуды, величина которой равна напряжению стабилизации стабилитронов ЧО 5. 5Калиброванные по амплитуде импульсы через переключатель 31 поступают на один из резисторов В 10 - В 14 и через общий резистор В 17, зарядный диод ЧО 7 подаются на измеряемую емкость С и заряжают ее (фиг. 10 1 б), Заряд емкости Сх (Осх) происходит до величины напряжения, равной О 0 на стабилитроне ЧО 6. Сравнение напряжения на емкости Сх и стабилитроне ЧО 6 производится с помощью компаратора О 1. Время 15 заряда емкости пропорционально величине этой емкости, количеству импульсов, заряжающих ее, и их длительностиСопротивление цепи заряда емкости состоит из одного из резисторов В 10 - В 14, выбор которых про изводится в зависимости от величины Сх и резистора В 17.При равенстве Ои Осх на выходе компаратора О 1 образуется положительный перепад напряжения, который открывает 25 транзистор ЧТЗ. Открытый транзистор ЧТЗ шунтирует выход прямоугольных импульсов напряжения в точке соединения В 10 - В 14, и дальнейший заряд емкости Сх прекращается, 30Импульсное напряжение, снимаемое с резистора В 17, подается на дифференциальные входы операционного усилителя 6, на выходе которого формируется пачка импульсов, Количество импульсов в пачке про порционально величине Сх.С выхода операционного усилителя 6 пачка импульсов (фиг. 1 в) подается на вход счетного блока 8, с выхода которого результат подается на индикатор 9. 40Для формирования импульса сброса пачка импульсов с выхода операционного усилителя 6 через зарядный диод ЧО 9 подается на зарядную емкость С 4, на которой формируется импульс напряжения, соответ ствующий огибающей пачке импульсов(фиг. .1 г), Формирование крутых фронтов огибающей пачки импульсов производится с помощью компаратора О 2. Задним фронтом импульса огибающей запускается одновиб- -0 ратор ОЗ, на выходе которого формируетсяимпульс сброса (фиг, 1 д) положительной полярности, который через резистор В 20 открывает транзистор ЧТ 4 и переводит блок и индикатор в исходное состояние. Через 55 открытый транзистор ЧТ 4 и резистор В 18 производится разряд емкости Сх. Восстанавливается исходное состояние устройства.Использование изобретения позволяет повысить точность измерения емкости в 3 - 5 раз, так как и редлагаемый способ дает возможность регулировать точность измерения за счет выбора точки срабатывания устройства сравнения и за счет согласования времени заряда емкости С с быстродействием устройства сравнения, т.е. устранить из общей погрешности измерения погрешность от ограничения быстродействия элемента сравнения,Формула изобретения 1, Способ измерения емкости, заключающийся в том, что преобразуют измеряемое значение емкости первого элемента последовател ьной активно-емкостной измерительной цепи - при известном значении второго элемента во временной интервал между началом апериодического процесса установления напряжения заряда емкости и моментом совпадения напряжения на измеряемой емкости с опорным и его измерения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения длительности переходного процесса заряда на участке с наибольшей крутизной, апериодический процесс заряда емкости осуществляют калиброванным по амплитуде импульсами прямоугольной формы, количество которых необходимо для заряда емкости до опорного напряжения.2, Устройство для измерения емкости, содержащее измерительную цепь, выполненную в виде последовательно соединенных активного сопротивления и емкости, счетный блок, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения за счет увеличения длительности переходного процесса заряда на участке с наибольшей крутизной, в него введены генератор прямоугольных импульсов, калибратор амплитуды, переключатель диапазонов, блок сравнения, операционный усилитель, блок сброса и индикатор, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом калибратора амплитуды, выход которого соединен с первым входом переключателя диапазонов, первый выход которого соединен с первым входом операционного усилителя и с первым входом измерительной цепи, выход которой соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход соединен с вторым входом переключателя диапазонов, второй выход которого соединен с вторым входом операционного усилителя, выход которого соединен с входом счетного блока и с первым входом блока сброса, первый выход которого соединен с вторым входом измерительной це1725158 12 11 10 л пи, а второй выход которого соединен с первым входом индикатора и вторым входом счетного блока, выход которого соединен свторым входом индикатора.1725158 Составитель В,БояриновРедактор И.Шмакова Техред М.Моргентал орректор Э.Лончакова Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 1174 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5