устройство для измерения электрической емкости

Формула изобретения

Устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенных по схеме кольцевого автогенератора, измеряемый и эталонный конденсаторы, включенные во времязадающие RC-цепи одновибраторов, блок индикации с интегрирующим звеном на входе, отличающееся тем, что в него введены сумматор, источник опорного напряжения и два перекидных ключа, входы управления которых соединены с выходами одновибраторов, а выходы - с входами интегрирующего звена, первые входы перекидных ключей подключены к шине нулевого потенциала, а вторые входы - к выходу сумматора, первый вход которого соединен с выходом блока индикации, а второй вход - с выходом источника опорного напряжения.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может применяться в различных областях техники для измерения электрической емкости.

Известно устройство для измерения емкости, в котором измеряемый и эталонный конденсаторы заряжаются от генератора однополярных импульсов (со скважностью более двух) через диоды и разряжаются через входные сопротивления дифференциального усилителя, выходное напряжение которого является мерой разности емкостей измеряемого и эталонного конденсаторов (см. авт. свид. SU 1803883 А1, МПК G01R 27/26). Недостатком этого устройства является зависимость его выходного сигнала от частоты генератора, нелинейных и температурных свойств диодов.

Известен измеритель электрической емкости (см. авт. св. SU 1629877 А1, МПК G01R 27/26), содержащий генератор тактовых импульсов, два выполненных на одном кристалле ждущих мультивибратора, во времязадающие цепи которых включены измеряемая и компенсирующая (эталонная) емкости, логическую схему и блок индикации. В этом устройстве длительности выходных импульсов ждущих мультивибраторов пропорциональны величинам измеряемой и компенсирующей емкостей, а знак разности величины емкостей определяется с помощью логической схемы. Недостатком этого устройства является сложность схемы и низкая чувствительность к величине измеряемой емкости, что обусловлено необходимостью применения в одном из ждущих мультивибраторов относительно большой емкости эталонного конденсатора (по сравнению с диапазоном изменения измеряемой емкости).

Прототипом заявленного технического решения является устройство для измерения электрической емкости (см. патент RU 2156472 С2, МПК 7 G01R 27/26, опубл. 20.09.2000), содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, измеряемый и эталонный конденсаторы, включенные во времязадающие RC-цепи одновибраторов, блок индикации с интегрирующими звеньями на входе и резисторы обратной связи.

В этом устройстве за счет применения в нем соответствующим образом включенных интегрирующих звеньев и резисторов обратной связи обеспечено повышение его чувствительности к изменению величины измеряемой емкости.

Однако данное устройство характеризуется относительно низкой точностью, что обусловлено зависимостью выходного сигнала от выходных напряжений одновибраторов, а также нелинейностью статической характеристики устройства из-за нелинейности его чувствительности к величине измеряемой емкости (См. Вострухин А, Минаев И. Измерительный преобразователь емкости в постоянное напряжение // Схемотехника. - 2003. - №5 - С.2-3, а именно: формулы для расчета выходного напряжения и статические характеристики чувствительности, приведенные на рис.3.)

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и линейности статической характеристики устройства для измерения электрической емкости.

Для решения указанной задачи в устройство для измерения электрической емкости, содержащее два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, измеряемый и эталонный конденсаторы, включенные во времязадающие RC-цепи одновибраторов, и блок индикации с интегрирующим звеном на входе, введены сумматор, источник опорного напряжения и два перекидных ключа, входы управления которых соединены с выходами одновибраторов, а выходы - с входами интегрирующего звена, первые входы перекидных ключей подключены к шине нулевого потенциала, а вторые входы - к выходу сумматора, первый вход которого соединен с выходом блока индикации, а второй вход - с выходом источника опорного напряжения.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства для измерения электрической емкости.

Устройство содержит выполненные на одном кристалле одновибраторы 1 и 2, включенные по схеме кольцевого автогенератора, измеряемый 3 (C₁) и эталонный 4 (С ₂) конденсаторы, включенные во времязадающие RC-цепи одновибраторов с резисторами 5 (R₁) и 6 (R ₂), блок 7 индикации с интегрирующим звеном 8 на входе. Устройство включает в себя также сумматор 9, источник 10 опорного напряжения и два перекидных ключа 11 и 12, входы управления которых соединены с выходами одновибраторов 1 и 2, а выходы - с входами интегрирующего звена 8. Первые входы перекидных ключей 11 и 12 подключены к шине нулевого потенциала, а вторые входы - к выходу сумматора 9, первый вход которого соединен с выходом блока 7 индикации, а второй вход - с выходом источника 10 опорного напряжения. Интегрирующее звено 8 образовано резисторами 13 (R ₃) и 14 (R₄) и конденсатором 15.

Устройство работает следующим образом.

Одновибраторы 1 и 2, включенные по схеме кольцевого автогенератора, вырабатывают на выходах Q1 и Q2 последовательности прямоугольных импульсов, длительности которых составляют соответственно t ₁=kR₁C₁ и t ₂=kR₂C₂ где k - постоянный коэффициент, одинаковый для одновибраторов 1 и 2, поскольку они выполнены на одном кристалле. Период генерируемых импульсов определяется как T=t₁+t ₂.

При условии (R₃+R ₄)>R₇, где R₇ - входное сопротивление блока 7 индикации, среднее значение выходного напряжения U₁ интегрирующего звена 8 составляет

где U₂ - выходное напряжение сумматора 9.

Выходное напряжение U₃ блока 7 индикации и выходное напряжение сумматора 9 связаны соотношениями

где U₀ - напряжение на выходе источника 10 опорного напряжения;

K₁ - коэффициент передачи блока 7 индикации;

К ₂ - коэффициент передачи сумматора 9 по напряжению U ₃.

Из выражений (1, 2, 3) следует, что напряжение U₃ составляет

Из соотношения (4) при практически выполняемых условиях R₁=R₂ и K₁·K₂=1 вытекает выражение, описывающее статическую характеристику предлагаемого устройства

Как следует из выражения (5), в предлагаемом устройстве отсутствует погрешность, обусловленная значениями выходных напряжений одновибраторов, а статическая характеристика этого устройства является линейной.

Эффективность повышения точности и линейности статической характеристики предлагаемого устройства можно показать на конкретном примере.

Погрешность преобразования устройства-прототипа зависит от уровней (высокого и низкого) выходных сигналов одновибраторов, определяемых не только напряжением питания, но и технологическими и температурными погрешностями. Даже при использовании источника питания повышенной точности (что энергетически нерационально) и применении цепей настройки для уменьшения влияния технологических составляющих температурная погрешность преобразования в устройстве-прототипе может достигать 5%. Погрешность преобразования предлагаемого устройства определяется, как следует из выражений (4) и (5), погрешностями опорного напряжения и коэффициентов передачи блока 7 индикации и сумматора 9 и при использовании резистивных матриц, отличающихся высокой относительной идентичностью параметров, практически не превышает 0,3%.

Нелинейность статической характеристики устройства-прототипа в диапазоне изменения измеряемой емкости от C₁=C₂ до C₁=2·С₂ достигает 5% даже при отсутствии резисторов для повышения чувствительности устройства, а при их введении существенно возрастает. Статическая характеристика предлагаемого устройства, как следует из формулы (5), является методически линейной.

Таким образом, в предложенном устройстве для измерения электрической емкости за счет введения в него соответствующим образом соединенных сумматора, источника опорного напряжения и перекидных ключей достигается повышение точности и линейности статической характеристики устройства.