УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01R27/02 G01R17/12 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и предназначено для прецизионного измерения электрической емкости, а также 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 но 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 контрольно-измерительной цепи в целом.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого устройства для 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 введения в патентуемое устройство системы фазовой автоматической настройки частоты управляемого по частоте измерительного генератора на резонансную частоту измерительного трансформаторного моста.

Поставленная цель достигается посредством того, что в устройстве для измерения электрической емкости, включающем измерительный трансформаторный мост, управляемый по частоте генератор, первый выход которого соединен с первичной обмоткой дифференциального трансформатора измерительного моста, синхронный детектор основного сигнала, первый вход которого электрически связан с выходом измерительного трансформаторного моста, второй вход - с управляемым по частоте генератором, а выход - с индикатором разбаланса измерительного трансформаторного моста, а также усилитель основного сигнала, согласно изобретению введена система фазовой автоподстройки частоты управляемого по частоте генератора на резонансную частоту измерительного моста, которая включает генератор сигнала манипуляции, фазовый манипулятор, фазовый детектор системы автоподстройки, фазовращатель, фильтр, усилитель-ограничитель и элемент связи упомянутой системы фазовой автоподстройки с измерительным трансформаторным мостом; первый выход управляемого по частоте генератора подключен к средней точке первичной обмотки дифференциального трансформатора измерительного моста; управляемый по частоте генератор электрически связан с синхронным детектором основного сигнала через второй выход упомянутого генератора посредством последовательно подключенного фазовращателя; третий выход управляемого по частоте генератора соединен с первым входом фазового манипулятора, один выход которого соединен с первым входом упомянутого фазового детектора, а другой через последовательно подключенный элемент связи - с выходом измерительного трансформаторного моста, соединенным со входом усилителя-ограничителя, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора системы автоподстройки; выход упомянутого фазового детектора через фильтр подключен ко входу управления частотой управляемого по частоте генератора, а четвертый выход последнего соединен со входом генератора сигнала манипуляции, выход которого подключен ко второму входу фазового манипулятора.

Целесообразно в качестве генератора сигнала манипуляции использовать делитель частоты управляемого по частоте генератора.

В графических материалах представлена функциональная схема заявленного устройства.

Устройство для измерения электрической емкости включает используемый в резонансном режиме измерительный трансформаторный мост 1, управляемый по частоте генератор 2, первый выход которого подключен к средней точке первичной обмотки дифференциального трансформатора измерительного моста 1; синхронный детектор 3 основного сигнала, первый вход которого электрически связан с выходом измерительного трансформаторного моста 1, второй вход (через фазовращатель 4) - со вторым выходом управляемого по частоте генератора 2, а выход (через последовательно соединенные фильтр 5 и масштабирующий усилитель 6 основного сигнала) - с индикатором разбаланса (на чертеже условно не показан) измерительного трансформаторного моста 1; а также систему фазовой автоматической подстройки частоты управляемого по частоте генератора 2 на резонансную частоту измерительного трансформаторного моста 1.

Упомянутая система фазовой автоподстройки частоты включает генератор 7 сигнала манипуляции, фазовый манипулятор 8, фазовый детектор 9, ранее упомянутый фазовращатель 4, фильтр 10, усилитель-ограничитель 11 и элемент 12 связи системы автоподстройки с измерительным трансформаторным мостом 1. Управляемый по частоте генератор 2 электрически связан с синхронным детектором 3 основного сигнала через второй выход упомянутого генератора посредством последовательно подключенного фазовращателя 4. Третий выход управляемого по частоте генератора 2 соединен с первым входом фазового манипулятора 8, один выход которого соединен с первым входом упомянутого фазового детектора 9, а второй, через последовательно подключенный элемент 12 связи, - с выходом измерительного трансформаторного моста, соединенным со входом усилителя-ограничителя 11, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 9 системы автоподстройки. Выход упомянутого фазового детектора 9 основного сигнала через фильтр 10 подключен ко входу управления частотой управляемого по частоте генератора 2, а четвертый выход последнего (т.е. генератора 2) соединен со входом генератора 7 сигнала манипуляции, выход которого подключен ко второму входу фазового манипулятора 8.

В качестве генератора 3 сигнала манипуляции, преимущественно, может быть использован делитель частоты управляемого по частоте генератора 2.

Электропитание устройства должно осуществляться двумя постоянными напряжениями +5В и 5В с соединением общего провода с корпусом устройства. Допустимые отклонения и изменения напряжения электропитания должны составлять не более ±0,1 В, коэффициент пульсаций - не более 1%, допустимая нагрузка по току - не менее 10 мА.

В качестве измерительной цепи в устройстве используется, преимущественно, процентная мостовая электрическая цепь с тесной взаимноиндуктивной связью между плечевыми обмотками в резонансном режиме.

Измерительный трансформатор конструктивно выполнен, преимущественно, в виде трансформатора с короткозамкнутым витком связи, что обеспечивает достаточно высокую развязку входных и выходных цепей по емкости. Резонансный режим обеспечивает высокий и строго постоянный коэффициент преобразования в заданном диапазоне изменений величин измеряемой разности емкостей.

Для обеспечения резонансного режима во всем диапазоне изменений величин емкостей и снижения требований к качеству настройки измерительный управляемый по частоте генератор и мостовая цепь охвачены системой фазовой автоподстройки частоты, выполненной, преимущественно, на базе микросхемы 564ГГ1. Необходимое при измерении емкости резонансным мостом напряжение, сдвинутое по фазе строго на 90^o, вырабатывается, преимущественно, микросхемами 564ЛП2 и 564ТМ2.

Выходная обмотка мостовой цепи нагружена на ключевой синхронный детектор основного сигнала, выполненный, преимущественно, на базе микросхемы 564КТ3. Это обеспечивает необходимую линейность характеристики схемы во всем диапазоне изменений величин емкостей и достаточно высокую устойчивость к воздействию внешних электромагнитных помех. Выход синхронного детектора соединен с входом фильтра нижних частот, формирующего необходимую полосу пропускания устройства. Требуемая крутизна характеристики тракта обеспечивается масштабирующим усилителем, выполненным, преимущественно, на базе операционного усилителя. Коэффициент масштабирования и, следовательно, крутизна преобразования могут быть установлены при настройке схемы.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемая емкость включается в одно из измерительных плеч трансформаторного моста 1, а в другое плечо упомянутого моста 1 включается эталонная емкость. При наличии ненулевой разности величин этих емкостей на выходе измерительного моста 1 появляется переменное напряжение. Это напряжение преобразуется в постоянное с помощью синхронного детектора 3 основного сигнала и (после фильтрации фильтром 5 и масштабирования усилителем 6) в дальнейшем поступает на устройства индикации. Чувствительность трансформаторной измерительной цепи определяется выражением:

где ΔU - чувствительность трансформаторной измерительной цепи;
В - реактивные проводимости трансформаторной измерительной цепи;
G - активные проводимости трансформаторной измерительной цепи.

Совершенно очевидно, что при ∑В²=0 (резонансный режим) чувствительность измерительного моста 1 максимальна, что позволяет отказаться от наличия предварительного усилителя, а это существенно улучшает метрологические характеристики измерительной цепи.

Однако при реализации резонансного режима возникают проблемы, связанные с необходимостью настройки и удержания частоты измерительного управляемого по частоте генератора 2 на резонансной частоте измерительного трансформаторного моста 1 в условиях изменения его параметров, например, при изменении значения измеряемой емкости.

С целью упрощения настройки частоты управляемого по частоте генератора 2 в измерительную цепь заявленного устройства введена система фазовой автоподстройки частоты.

Физическая сущность работы этой цепи заключается в следующем.

Выходное напряжение измерительного управляемого по частоте генератора 2 манипулируется по фазе (переключается на 180^o) с частотой, задаваемой генератором 7 напряжения манипуляции, в качестве которого удобно использовать делитель частоты измерительного генератора 2. Выходное напряжение фазового манипулятора 8 через элемент 12 связи (конденсатор) возбуждает в цепях измерительного трансформаторного моста 1 радиоимпульсы, напряжение которых поочередно сдвинуто по фазе на 180^o. Общий сдвиг фазы напряжения в цепях измерительной цепи, а следовательно, выходное напряжение фазового детектора 9 зависит от расстройки частоты управляемого по частоте генератора 2 относительно резонансной частоты мостовой измерительной цепи. В том случае, если частота манипуляции фазы находится вне полосы пропускания фильтра 5, работа системы автоподстройки не мешает работе измерительной цепи, удерживая в то же время частоту генератора 2 вблизи резонансной частоты измерительного моста 1. С выхода измерительной цепи моста 1 радиоимпульсы нормируются по амплитуде усилителем-ограничителем 11 и поступают на вход фазового детектора 9, опорное напряжение которого также манипулировано по фазе и поступает с выхода фазового манипулятора 8. Выходное напряжение фазового детектора 9 через фильтр 10 управляет частотой генератора 2, минимизируя величину рассогласования по частоте.

Заявленное устройство для измерения электрической емкости характеризуется следующими техническими параметрами:
- диапазон измеряемой разности емкостей - +200...-200 пФ;
- минимальная измеряемая разность емкостей - 0,1 пФ;
- коэффициент преобразования - 1,25 В/пФ;
- диапазон частот изменений измеряемой емкости - 0...1 кГц;
Таким образом, заявленное устройство может быть широко использовано в области электроизмерительной техники для прецизионного измерения электрической емкости, а также в качестве емкостного датчика для измерения неэлектрических величин и позволяет повысить чувствительность и точность измерения емкости в достаточно широком диапазоне изменений параметров мостовой измерительной цепи.

Использование: для прецизионного измерения электрической емкости. Технический результат - повышение точности измерения. Устройство включает измерительный трансформаторный мост (ИТМ) (1); управляемый по частоте генератор (2), первый выход которого подключен к средней точке первичной обмотки дифференциального трансформатора ИТМ (1); синхронный детектор (СД) (3) основного сигнала, первый вход которого электрически связан с выходом ИТМ (1), второй вход - со вторым выходом управляемого по частоте генератора (2), а выход через последовательно соединенные фильтр (5) и масштабирующий усилитель 6 основного сигнала - с индикатором разбаланса ИТМ (1). Фазовая автоподстройка частоты генератора (2) на резонансную частоту ИТМ 1 осуществляется за счет того, что второй выход генератора (2) электрически связан с СД (3) посредством последовательно подключенного фазовращателя 4. Третий выход генератора (2) соединен с первым входом фазового манипулятора (8), один выход которого соединен с первым входом фазового детектора (9), а другой через последовательно подключенный элемент (12) связи - с выходом ИТМ 1, соединенным со входом усилителя-ограничителя 11. Выход последнего соединен со вторым входом фазового детектора 9. Выход фазового детектора (9) основного сигнала через фильтр (10) подключен ко входу управления частотой генератора (2), а четвертый выход генератора (2) соединен со входом генератора (7) сигнала манипуляции, выход которого подключен ко второму входу фазового манипулятора (8). 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения электрической емкости, включающее измерительный трансформаторный мост, в одно из плеч которого подключена эталонная емкость, а другое предназначено для подключения измеряемой емкости; управляемый по частоте генератор, первый выход которого соединен с первичной обмоткой дифференциального трансформатора измерительного трансформаторного моста; синхронный детектор основного сигнала, первый вход которого связан с выходом измерительного трансформаторного моста, второй вход - с управляемым по частоте генератором, а выход - с индикатором разбаланса измерительного трансформаторного моста; а также масштабирующий усилитель основного сигнала, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром нижних частот и системой фазовой автоподстройки частоты управляемого по частоте генератора на резонансную частоту измерительного трансформаторного моста, которая включает генератор сигнала манипуляции, фазовый манипулятор, фазовый детектор упомянутой системы фазовой автоподстройки частоты, фазовращатель, фильтр, усилитель-ограничитель и элемент связи упомянутой системы фазовой автоподстройки частоты с измерительным трансформаторным мостом; первый выход управляемого по частоте генератора подключен к средней точке первичной обмотки дифференциального трансформатора измерительного трансформаторного моста; управляемый по частоте генератор электрически связан с синхронным детектором основного сигнала через второй выход управляемого по частоте генератора посредством последовательно подключенного фазовращателя; третий выход управляемого по частоте генератора соединен с первым входом фазового манипулятора, один выход которого соединен с первым входом фазового детектора упомянутой системы фазовой автоподстройки частоты, а другой выход через последовательно подключенный элемент связи упомянутой системы фазовой автоподстройки частоты - с выходом измерительного трансформаторного моста, соединенным со входом усилителя-ограничителя, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора основного сигнала; выход фазового детектора основного сигнала, через фильтр, подключен ко входу управления частотой управляемого по частоте генератора, а четвертый выход последнего соединен со входом генератора сигнала манипуляции, выход которого подключен ко второму входу фазового манипулятора, при этом выход синхронного детектора основного сигнала связан с индикатором разбаланса измерительного трансформаторного моста посредством последовательно соединенных фильтра нижних частот и масштабирующего усилителя основного сигнала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве генератора сигнала манипуляции использован делитель частоты управляемого по частоте генератора.