УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА Российский патент 2001 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению емкости.

Известен емкостный преобразователь, содержащий мост с индуктивно-связанными плечами (см. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебн. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1983, -стр. 146), включающий повторитель напряжения, трансформатор.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся его сложность исполнения, наличие трансформатора.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство с емкостно-диодной измерительной цепью дифференциального датчика, в котором емкости датчика подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов и двух дополнительных конденсаторов (см. там же, стр. 148, рис. 7-15, б), и принятое за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относятся его низкая чувствительность и ограниченный диапазон изменения измеряемой емкости.

Технический результат - расширение диапазона измерения емкости и повышение чувствительности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что устройство для измерения емкости конденсатора содержит источник напряжения переменного тока, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод подключен через разделительный конденсатор к первым выводам первой и второй пар последовательно соединенных диодов, причем первая и вторая пары диодов включены встречно, точка соединения диодов первой пары подключена к выводу образцового конденсатора, точка соединения диодов второй пары подключена к выводу измеряемого конденсатора, а вторые выводы образцового и измеряемого конденсаторов подключены к общей шине; последовательно соединенные первый накопительный конденсатор и первый резистор, подключенные к выводу разделительного конденсатора и общей шине, и фильтр низкой частоты из последовательно соединенных резистора и конденсатора, который включен между выводом разделительного конденсатора и общей шиной. Особенностью является то, что в него введены дополнительный второй накопительный конденсатор, соединенный параллельно со второй парой диодов; дополнительный второй резистор, соединенный между вторым выводом второй пары диодов и общей шиной; и дополнительный выходной резистор, включенный между точкой соединения резистора и конденсатора фильтра низкой частоты и общей шиной; при этом точка соединения первого накопительного конденсатора и первого резистора соединена со вторым выводом первой пары диодов.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для измерения емкости конденсатора,
на фиг. 2 - экспериментальная зависимость выходного напряжения U_вых от измеряемой емкости С_х.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Устройство содержит источник напряжения переменного тока с выводами 1 и 2, которые образуют вход устройства, первую пару диодов, состоящую из диодов 3 и 4, соединенных последовательно, и вторую пару диодов, состоящую из диодов 5 и 6, соединенных аналогичным образом. Первая пара диодов 3 и 4 включена встречно второй паре диодов 5 и 6. Кроме этого, устройство содержит разделительный конденсатор 7, первый и второй накопительные конденсаторы 8 и 9, образцовый конденсатор 10, измеряемый конденсатор 11, первый и второй резисторы 12 и 13, фильтр низкой частоты, состоящий из последовательно соединенных резистора 14 и конденсатора 15, и выходной резистор 16, выводы 17 и 18 образуют выход устройства.

Первый вывод 2 устройства напряжения переменного тока соединен с общей шиной, а второй вывод 1 подключен через разделительный конденсатор 7 к первым выводам первой пары диодов 3 и 4 и второй пары диодов 5 и 6. Точка соединения диодов 3 и 4 подключена к первому выводу образцового конденсатора 10, а точка соединения диодов 5 и 6 подключена к первому выводу измеряемого конденсатора 11. Вторые выводы образцового конденсатора 10 и измеряемого конденсатора 11 подключены к общей шине. Последовательно соединенные первый накопительный конденсатор 8 и первый резистор 12 подключены ко второму выводу разделительного конденсатора 7 и общей шине. Между вторым выводом разделительного конденсатора 7 и общей шиной включен фильтр низкой частоты. Второй накопительный конденсатор 9 соединен параллельно со второй парой диодов 5 и 6. Второй резистор 13 включен между вторым выводом второй пары диодов 5 и 6 и общей шиной.

Выходной резистор 16 включен между точкой соединения резистора 14 и конденсатора 15 и общей шиной. Точка соединения первого накопительного конденсатора 8 и первого резистора 12 соединена со вторым выводом первой пары диодов 3 и 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При подаче на вход устройства входного напряжения U положительной полярности открывается диод 3, и образцовый конденсатор 10 заряжается до напряжения U_co, которое определяется значением емкости C_o образцового конденсатора 10. При изменении направления входного напряжения U будет протекать ток заряда первого накопительного конденсатора 8 по цепи: точка а, образцовый конденсатор 10, диод 4, первый накопительный конденсатор 8, точка b. При этом первый накопительный конденсатор 8 зарядится до напряжения U_c1 = U + U_co, где U - входное напряжение, U_co - напряжение на образцовом конденсаторе,
так как источник переменного напряжения и конденсатор 10 оказались включенными последовательно и согласно.

Аналогичным образом напряжение на втором накопительном конденсаторе 9 равно U_c2 = U + U_cx, где U_cx - напряжение на измеряемом конденсаторе 11 емкостью С_x, но полярность напряжения U_c2 противоположна полярности напряжения U_c1.

Второй накопительный конденсатор 9 разряжается по цепи резистора 14, выходного резистора 16 и второго резистора 13, а первый накопительный конденсатор 8 - по цепи первого резистора 12, выходного резистора 16 и резистора 14. Таким образом, токи разряда первого и второго накопительных конденсаторов 8 и 9 протекают через выходной резистор 16 встречно и выходной сигнал в виде напряжения U_вых, снимаемый с выводов 17 и 18, будет пропорционален разности напряжений U_c2 и U_c1, т.е. в конечном счете пропорционален разности емкостей С_x и С₀ измеряемого и образцового конденсаторов 11 и 10.

В устройстве сохраняется шунтирующее действие первой пары диодов 3 и 4 и второй пары диодов 5 и 6, но так как сопротивления первого и второго резисторов 12 и 13 намного больше прямого сопротивления диодов 3-6, причем для шунтирующих токов первый и второй резисторы 12 и 13 оказываются включенными последовательно, то это действие намного меньше, чем в схеме прототипа.

Результаты экспериментов показали, что предлагаемое устройство имеет значительно большую чувствительность и диапазон измерения (фиг. 2, кривая 1) по сравнению с прототипом (фиг. 2, кривая 2). Представленная зависимость U_вых (С_x) получена при равенстве сопротивлений первого и второго резисторов 12 и 13, т.е. при R₁=R₂ и С₀ = Const.

При R₁ = R₂ зависимость U_вых (С_x) симметрична относительно точки С_x = С₀.

Предлагаемое устройство позволяет также смещать характеристику U_вых (С_x) в область положительных или отрицательных значений выходного напряжения U_вых путем выбора разных значений R₁ и R₂ (при R₁ ≠ R₂), что позволяет настраивать устройство только изменением сопротивления либо первого резистора 12, либо второго резистора 13.

Благодаря такому включению первого и второго резисторов 12 и 13, а также наличию первого и второго накопительных конденсаторов 8 и 9, стало возможным территориально разнести измеряемый и образцовый конденсаторы 11 и 10 на значительные расстояния.

Предложенное устройство может быть использовано и для измерения емкости дифференциального конденсатора, где роль второй измеряемой емкости может выполнять образцовый конденсатор 10.

Использование: в электрических измерениях. Технический результат - расширение диапазона измерения емкости конденсатора и повышение чувствительности, а также обеспечение настройки изменением сопротивления резисторов. Устройство содержит источник напряжения переменного тока, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод подключен через разделительный конденсатор к первым выводам первой и второй пар последовательно соединенных диодов, которые включены встречно, а точки их соединения подключены к выводам соответственно образцового и измеряемого конденсаторов. Вторые выводы образцового и измеряемого конденсаторов подключены к общей шине. Последовательно соединенные первый и второй накопительные конденсаторы и первый и второй резисторы подключены к выходу разделительного конденсатора и общей шине. Фильтр низкой частоты из последовательно соединенных резистора и конденсатора включен между выводом разделительного конденсатора и общей шиной. Дополнительный выходной резистор включен между точкой соединения резистора и конденсатора фильтра низкой частоты и общей шиной. Точка соединения первого накопительного конденсатора и первого резистора соединена со вторым выводом первой пары диодов. Устройство позволяет смещать характеристику И_вых (C_x) в область положительных или отрицательных значений выходного напряжения И_вых. 2 ил.

Устройство для измерения емкости конденсатора, содержащее источник напряжения переменного тока, один вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод подключен через разделительный конденсатор к первым выводам первой и второй пар последовательно соединенных диодов, причем первая и вторая пары диодов включены встречно, точка соединения диодов первой пары подключена к первому выводу образцового конденсатора, точка соединения диодов второй пары - к первому выводу измеряемого конденсатора, а вторые выводы образцового и измеряемого конденсаторов подключены к общей шине, последовательно соединенные первый накопительный конденсатор и первый резистор, подключенные к второму выводу разделительного конденсатора и общей шине, и фильтр низкой частоты из последовательно соединенных резистора и конденсатора, который включен между вторым выводом разделительного конденсатора и общей шиной, отличающееся тем, что в него введены дополнительный второй накопительный конденсатор, соединенный параллельно с второй парой диодов, дополнительный второй резистор, включенный между вторым выводом второй пары диодов и общей шиной, и дополнительный выходной резистор, включенный между точкой соединения резистора и конденсатора фильтра низкой частоты и общей шиной, при этом точка соединения первого накопительного конденсатора и первого резистора соединена с вторым выводом первой пары диодов.