устройство для прецизионного измерения электрической емкости

Формула изобретения

1. Устройство для прецизионного измерения электрической емкости, включающее усилитель и детектор, отличающееся тем, что усилитель выполнен неинвертирующим с регулируемым коэффициентом усиления, а устройство дополнительно содержит входной полосовой фильтр и дополнительный фильтр, при этом вход упомянутого полосового фильтра предназначен для соединения с первым электродом измеряемой емкости, выход входного полосового фильтра соединен со входом упомянутого неинвертирующего усилителя, один выход которого соединен с детектором, второй выход неинвертирующего усилителя предназначен для соединения со вторым электродом измеряемой емкости, а выход детектора соединен с дополнительным фильтром, один выход которого соединен с управляющим входом неинвертирующего усилителя, а другой выход функционально является информационным.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной полосовой фильтр выполнен на основе кварцевого резонатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в качестве емкостного датчика для измерения неэлектрических величин.

Из уровня техники известно устройство для измерения частотных зависимостей емкости или проводимости с использованием измерительного трансформаторного моста полных проводимостей. К первичной обмотке трансформатора измерительного моста подключен управляемый по частоте генератор, а к выходу упомянутого моста - предварительный усилитель, выход которого соединен со входом первого селективного усилителя и входом амплитудного детектора. Выход последнего соединен со входом второго селективного усилителя. Первый и второй синхронные детекторы соединены с выходами соответствующих селективных усилителей, причем опорный вход одного синхродетектора соединен с выходом управляемого по частоте генератора, а опорный вход другого синхродетектора соединен через удвоитель частоты с выходом второго генератора, который подсоединен к управляющему входу управляемого по частоте генератора. Выходы упомянутых синхродетекторов соединены с соответствующими индикаторами разбаланса измерительного трансформаторного моста (SU №1767446 А1, кл. G 01 R 17/10, 1992 г.).

К недостаткам данного известного из уровня техники устройства следует отнести относительно невысокую точность и чувствительность, ввиду наличия в электрической схеме предварительного усилителя, негативно влияющего на метрологические параметры измерительной цепи в целом.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого устройства для прецизионного измерения электрической емкости, в котором обеспечивалось бы повышение чувствительности измерительной цепи и точности измерения соответствующего параметра (в том числе - неэлектрического) определенной суперпрецизионной метрологической системы, за счет совмещения в патентуемом устройстве цепей обратной связи измерительного генератора и входной избирательной цепи (т.е. цепи входного полосового фильтра).

Поставленная задача достигается посредством того, что в устройстве для прецизионного измерения электрической емкости, включающем усилитель и детектор, согласно изобретению усилитель выполнен неинвертирующим с регулируемым коэффициентом усиления, а устройство дополнительно содержит входной полосовой фильтр и дополнительный фильтр, при этом вход упомянутого полосового фильтра предназначен для соединения с первым электродом измеряемой емкости, выход входного полосового фильтра соединен со входом упомянутого неинвертирующего усилителя, один выход которого соединен с детектором, второй выход неинвертирующего усилителя предназначен для соединения со вторым электродом измеряемой емкости, а выход детектора соединен с дополнительным фильтром, один выход которого соединен с управляющим входом неинвертирующего усилителя, а другой выход функционально является информационным.

Оптимально входной полосовой фильтр выполнять на основе кварцевого резонатора.

Заявленное устройство поясняется чертежом, на котором представлена его функциональная схема.

Устройство для прецизионного измерения электрической емкости содержит усилитель 1, который выполнен неинвертирующим с регулируемым коэффициентом усиления, детектор 2, входной полосовой фильтр 3 и дополнительный фильтр 4. Вход упомянутого полосового фильтра 3 предназначен для соединения с первым электродом 5 измеряемой электрической емкости 6, выход входного полосового фильтра 3 соединен со входом упомянутого неинвертирующего усилителя 1, один выход которого соединен с детектором 2, второй выход неинвертирующего усилителя 1 предназначен для соединения со вторым электродом 7 измеряемой электрической емкости 6. При этом выход детектора 2 соединен со входом дополнительного фильтра, один выход которого соединен с управляющим входом неинвертирующего усилителя 1, а другой выход функционально является информационным (т.е. связан с информационной системой регистрации изменения величины измеряемого параметра).

Оптимально входной полосовой фильтр 3 выполнять на основе кварцевого резонатора.

Устройство для прецизионного измерения электрической емкости работает следующим образом. Элементы и функциональные связи устройства (в совокупности функционально являющиеся измерительным генератором) образуют автоколебательную систему, самовозбуждающуюся на резонансной частоте входного полосового фильтра 3. Таким образом рабочая частота всегда совпадает с центральной частотой входного полосового фильтра 3. При этом выходной сигнал неинвертирующего усилителя 1 с регулируемым коэффициентом усиления детектируется детектором 2 и на соответствующем выходе дополнительного фильтра 4 вырабатывается постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде колебаний на выходе неинвертирующего усилителя 1. Это напряжение поступает на второй (управляющий) вход неинвертирующего усилителя 1 и изменяет его коэффициент усиления, стремясь стабилизировать амплитуду выходного напряжения.

Условие генерации автоколебаний, в данном случае, записывается в следующем виде:

К=1,

где К - регулируемый коэффициент усиления неинвертирующего усилителя 1;

- коэффициент затухания сигнала в цепи измеряемая емкость 6 - входной импеданс входного полосового фильтра 3.

В свою очередь, в рассматриваемом случае регулируемый коэффициент К усиления равен:

К=/U,

где - коэффициент преобразования напряжения U детектора 2 в величину коэффициента К усиления неинвертирующего усилителя 1;

U - напряжение детектора 2.

Таким образом, выходное напряжение детектора 2 равно: U=

Это означает, что выходное напряжение детектора 2 пропорционально величине реактивного сопротивления измеряемой емкости 6 (например, конденсатора), что, в частности, создает дополнительные преимущества при измерении расстояний емкостным методом, т.к. именно величина реактивного сопротивления конденсатора (или измеряемой емкости 6) прямо пропорциональна расстоянию между обкладками этого конденсатора. При этом отпадает необходимость в подстройке частоты вышеупомянутого измерительного генератора при изменении величины измеряемой емкости 6, т.к. система автоматически перестраивается под новое значение резонансной частоты входного полосового фильтра 3, что обеспечивает высокие метрологические характеристики заявленного измерительного устройства.

Заявленное изобретение позволяет использовать высокодобротные полосовые или избирательные фильтры, в частности кварцевые резонаторы, что позволяет снизить погрешность измерения электрической емкости.

Таким образом, заявленное устройство для прецизионного измерения электрической емкости может быть использовано в различных областях техники, в частности для измерения перемещения контролируемого объекта емкостным методом, что в значительной мере повышает чувствительность и точность измерений.