УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ И/ИЛИ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в средствах для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления преобразователей неэлектрических величин, а также в устройствах автоматики для контроля указанных величин.

Известно устройство для измерения электрической емкости (см. Певницкий С. Цифровой измеритель емкости // Радио 1984- 10 - с.46-48), содержащее генератор прямоугольных импульсов, во времязадающую цепь которого включен конденсатор измеряемой емкости и блок индикации. Блок индикации преобразует длительность прямоугольных импульсов генератора в цифровую форму. Недостаток известного устройства - низкая чувствительность.

Известно устройство для измерения электрической емкости (см. А. с. 1629877, кл. G 01 R 27/26), содержащее генератор прямоугольных импульсов, два одновибратора, конденсаторы измеряемой и образцовой емкости, логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два логических элемента И, RS-триггер и блок индикации. В известном решении осуществляется сравнение по длительности выходных импульсов одновибраторов, запускаемых одновременно прямоугольными импульсами генератора. Длительности выходных импульсов одновибраторов пропорциональны измеряемой и образцовой емкостям, включенным в качестве времязадающих элементов, соответственно первого и второго одновибраторов. Результат измерения отражается блоком индикации в формах "Меньше", "Больше".

Недостаток известного решения - низкая чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является устройство (система) для измерения емкости (см. пат. Великобритании 1399623, кл. G 01 R 27/26, 1975 (5 стр. )). Данное устройство состоит из двух основных блоков, блока преобразования электрической емкости во временной интервал и блока измерения временного интервала. Блок преобразования емкости во временной интервал содержит измерительный генератор, во времязадающую цепь которого включен конденсатор измеряемой емкости, к выходу измерительного генератора подключен суммирующий счетчик. Блок измерения временного интервала содержит следующие устройства: генератор счетных импульсов; логический элемент И с двумя входами; двоично-десятичный счетчик счетных импульсов; блок индикации, который состоит из элементов памяти для хранения кода счетчика, дешифратора для преобразования двоично-десятичного кода счетчика счетных импульсов в код для семисегментного многоразрядного, например, светодиодного дисплея; для обновления текущих результатов измерения применено устройство управления, которое вырабатывает управляющие сигналы.

Недостаток известного решения - низкая чувствительность. Данный недостаток является следствием двух причин. Первая причина низкой чувствительности - это методическая погрешность, обусловленная дискретизацией непрерывной величины (временного интервала).Такую составляющую погрешности называют погрешностью дискретности. Она возникает вследствие того, что периодическая последовательность счетных импульсов и заполняемый ими временной интервал (стробирующий импульс) в общем случае - сигналы несинхронные (см. стр.76 Мирский Г. Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. -М.: Радио и связь, 1984. - 160 с. , ил.). Максимальное значение абсолютной погрешности дискретности измерения временного интервала составляет ±1 младшего разряда счета, т. е. одному периоду ±Т1 генератора счетных импульсов. Допустим, что эту причину можно устранить введением цепей синхронизации для опорного (счетных импульсов) и измерительного генераторов от устройства управления. Однако и в этом случае известное решение будет уступать по чувствительности заявляемому. Рассмотрим вторую причину низкой чувствительности известного решения. Условимся, что оба генератора в начале каждого цикла измерения начинают работать синхронно (одновременно).

Для обнаружения предельно-минимального изменения измеряемой емкости, на дисплее в младшем разряде должна появиться единица. Для этого необходимо, чтобы временной интервал на выходе суммирующего счетчика получил приращение ±Т1. Оценим. насколько должна измениться емкость, чтобы вызвать приращение временного интервала на значение ±Т1. Предположим, что известное устройство содержит генераторы построенные по известным схемам на интегральных микросхемах КР1006ВИ1(см. стр. 301-304 Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник / И.В. Новаченко и др.- М.: КУБК-а, 1996 г.-384 с.). Времязадающие цепи каждого генератора образованы двумя резисторами R1=R2=100 кОм и конденсаторами Со - в опорном, Со+См - в измерительном, где См - положительное приращение измеряемой емкости, причем Со=100 пФ. В общем случае период следования импульсов определяется:
Т = tи + tп,
где tи и tп - длительности импульса и паузы.

Рассчитаем по известным формулам период Т1 следования импульсов для опорного генератора:
tи1 = 0,69•(R1+R2)•Co = 0,69•(100+100)•100 = 13800 нc = 13,8 мкс
tп1 = 0,69•R2•Co=0,69•100•100 = 6900 нс = 6,9 мкс,
где коэффициент 0,69 характеризует свойства данной микросхемы.

Т1 = tи1+tп1 = 13,8+6,9 = 20,7 мкс
Если См = 0, то T1 = Т2, где Т2 - период следования импульсов измерительного генератора. Используя, например, счетчик с коэффициентом счета Ксч = 16, на старшем выходе которого получим временной интервал, равный Δt1 = 8•Т2 = 8•20,7 = 165,6 мкс. Временной интервал - это время с момента начала работы измерительного генератора и до момента перехода напряжения от низкого уровня к высокому на выходе суммирующего счетчика.

Допустим емкость измеряемого конденсатора возросла на 10 пФ, т.е. См = 10 пФ. Определим временной интервал на выходе счетчика:
tи2 = 0,69•(100+100)•(100+10) = 15200 нс = 15,2 мкс
tп2 = 0,69•100•(100+10) = 7590 нс = 7,6 мкс
Т2 = tи2 + tп2 = 15,2+7,6 = 22,8 мкс
Δt2 = 8•Т2 = 8•22,8 = 182,4 мкс.

Определим изменение временного интервала, вызванное изменением измеряемой емкости:
Δt = Δt2-Δt1 = 182,4-165,6 = 16,8 мкс
Возрастание измеряемой емкости на 10 пФ не будет отражено на дисплее, так как Δt<T1. Чтобы данное изменение измеряемой емкости было отражено на дисплее, необходимо использовать счетчик с большим коэффициентом счета, но при этом возрастает время цикла для одного измерения. В дальнейшем при сравнении заявляемого решения и известного будем учитывать фактор быстродействия, принимая в расчет, что время одного цикла измерения для известного и заявляемого решений одинаково, т.е. будем использовать счетчики с коэффициентом счета Ксч = 16.

Цель изобретения - повышение чувствительности устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления, содержащее блок измерения временного интервала, состоящий из первого опорного генератора, выход которого подключен к первому входу логического элемента И, выход которого подключен к первому счетчику с дешифратором, многоразрядный выход которого подключен к дисплею, измерительный генератор, к которому подключена первая времязадающая цепь, содержащая или резистор, сопротивление которого необходимо измерить и конденсатор известной емкости или конденсатор, емкость которого необходимо измерить, и резистор известного сопротивления, при этом выход измерительного генератора подключен ко второму счетчику, выход которого подключен к первому устройству управления, выход которого подключен к входу сброса второго счетчика, вторую времязадающую цепь из резистора и конденсатора с известными величинами, введены второй опорный генератор, третий счетчик, второе устройство управления, причем второй опорный и измерительный генераторы выполнены, каждый, на двух одновибраторах, включенных по кольцевым схемам с входами разрешения генерирования, выход второго опорного генератора подключен к третьему счетчику, выход которого подключен ко второму входу логического элемента И, и к входу второго устройства управления, выход которого подключен к входу сброса первого счетчика, выход первого устройства управления подключен к входам разрешения генерирования второго опорного и измерительного генераторов и к входу сброса третьего счетчика, вторая времязадающая цепь подключена к соответствующим выводам второго опорного генератора, во времязадающие цепи обоих одновибраторов опорного генератора включены опорные элементы, а во времязадающие цепи первого и второго одновибраторов измерительного генератора включены элементы, соответственно измеряемые и опорные, блок измерения временного интервала подключен или к выходу третьего счетчика, а вход первого устройства управления к выходу второго счетчика, или к выходу второго счетчика, а вход первого устройства управления подключен к выходу третьего счетчика, первый счетчик выполнен на одном кристалле совместно с дешифратором.

Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления поясняется блок-схемой - фиг.1 и временными диаграммами - фиг.2.

Предлагаемое устройство содержит (фиг.1) измерительный генератор 1 (в дальнейшем генератор 1), второй опорный генератор 2 (в дальнейшем, генератор 2), счетчики импульсов 3 и 4, первое устройство управления 5, блок измерения временного интервала 6, первую времязадающую цепь, которая содержит конденсатор 7 (измеряемая емкость С1), и резистор 8, (измеряемое сопротивление R1), вторую времязадающую цепь, которая состоит из конденсатора 9 (опорная емкость С2) и резистора 10 (опорное сопротивление R2), блок 6 содержит логический элемент И 11, первый опорный генератор 12 (в дальнейшем генератор 12), счетчик 13 с встроенным дешифратором для преобразования двоично-десятичного кода в код для семисегментного индикатора, многоразрядный дисплей 14, второе устройство управления 15 сбросом счетчика 13. В качестве управляющих устройств 5 и 15 могут быть использованы, например, одновибраторы. Генераторы 1 и 2 выполнены, каждый, на двух одновибраторах, соответственно 16, 17 и 18, 19, включенных по кольцевым схемам. Одновибраторы 17 и 18 имеют выводы разрешения запуска, которые являются выводами разрешения генерирования генераторов 1 и 2. Времязадающие цепи одновибраторов 17 и 18 не показаны. Генераторы 1 и 2 для более полного компенсирования различных факторов должны быть выполнены на интегральных микросхемах, содержащих на одном кристалле по два одновибратора, например микросхема КР1533АГ3. Причем обе микросхемы должны входить в состав генераторов 1 и 2, например, одновибраторы 16, 19 выполнены на одном кристалле, одновибраторы 17, 18 - на другом кристалле. Выход генератора 1 подключен к входу счетчика 3, выход которого подключен к входу первого устройства управления 5, выход которого подключен к входам разрешения генерирования генераторов 1, 2 и к входам сброса счетчиков 3 и 4, выход генератора 2 подключен к входу счетчика 4, выход которого подключен к второму входу логического элемента И 11 и к входу второго устройства управления 15, выход генератора 12 подключен к первому входу логического элемента И 11, выход которого подключен к счетному входу счетчика 13, многоразрядный выход которого подключен к дисплею 14, выход второго устройства управления 15 подключен к входу сброса счетчика 13, первая и вторая времязадающие цепи подключены к соответствующим выводам генераторов 1 и 2. На временных диаграммах (фиг.2) показано изменение уровней напряжения в точках, указанных на блок-схеме (фиг.1), соответственно Q1, Q2, Q3, Q4, Q5. Для пояснения принципа работы заявляемого устройства рассматривается один вариант (из нескольких возможных) включения времязадающих элементов. Например, во времязадающие цепи обоих одновибраторов 18, 19 генератора 2 включены опорные элементы, а во времязадающие цепи одновибраторов 16, 17 генератора 1 включены элементы, соответственно измеряемые и опорные.

Устройство для измерения электрической емкости и (или) активного сопротивления работает следующим образом.

В момент времени to на входе разрешения генерирования генераторов 1, 2 установлен низкий уровень напряжения (фиг.2, Q5), которое подается с выхода устройства управления 5 (фиг.1), при этом указанные генераторы вырабатывают прямоугольные импульсы. С выходов Q1 и Q2 генераторов 1 и 2 импульсы поступают на суммирующие счетчики 3 и 4, где суммируются во временные интервалы:
временной интервал на старшем выходе счетчика 3:
Δt₁=Ксч/2•T₁,
временной интервал на старшем выходе счетчика 4:
Δt₂=КСЧ/2•Т₂,
где Ксч - коэффициент счета счетчиков 3 и 4;
T₁ и Т₂ - периоды следования прямоугольных импульсов, соответственно для генераторов 1 и 2.

Из временной диаграммы (фиг.2) видно, что на выходе Q4 счетчика 4 в момент времени t1 возникает положительный перепад напряжения (рассматривается случай, когда Ксч=8). В момент времени t2 на выходе Q3 счетчика 3 возникает положительный перепад, под действием которого устройство управления 5 (например, одновибратор) вырабатывает прямоугольный импульс Q5, который сбрасывает счетчики 3, 4 и останавливает генераторы 1, 2. При возвращении одновибратора в исходное состояние генераторы 1, 2 одновременно начинают генерировать импульсы, а счетчики 3, 4 суммировать периоды во временные интервалы. На выходе Q4 счетчика 4 образуется разница временных интервалов Δt= Δt₁-Δt₂, где Δt - временной интервал, который поступает на вход блока 6. Через второй вход логического элемента И от генератора 12 на вход счетчика 13 поступают импульсы (счетные импульсы). Число счетных импульсов, ограниченное временным интервалом, преобразуется дешифратором, встроенным в счетчик 13 в семисегментный код, который отражается дисплеем 14 в форме многоразрядного десятичного числа. Данное число периодически отражается в течение интервала времени от t₀ до t₁. Устройство управления 15 (например, одновибратор) под действием положительного перепада, момент времени t1 (начало временного интервала), сбрасывает, ранее записанную в счетчик 13 информацию. Рассмотренный пример работы устройства отражает первый случай, когда С1>С2, при условии, что R1=R2 или R1>R2, при условии С1=С2. В случае, когда С2>С1 при R1= R2 или R2>R1, при С1=С2 необходимо подключить выход Q3 счетчика 3 к входу блока 6, а выход Q4 счетчика 4 подключить к входу устройства управления 5.Блок 6 можно заменить микропроцессорным устройством на базе, например, микроконтроллеров, которые снабжены аппаратными и программными средствами для обработки временных интервалов. Микроконтроллер может находиться на большом расстоянии от предлагаемого устройства и принимать сигналы по двухпроводной линии связи с оптронной развязкой.

Чувствительность заявляемого решения выше, чем известного, при одинаковой скорости измерения. Предположим, что в заявляемом устройстве к генераторам 1, 2 подключены те же счетчики, что и в известном устройстве к измерительному генератору, с коэффициентом счета Ксч=16. Тогда при прочих равных условиях, для известного и заявляемого решений приращения временного интервала при изменении измеряемой емкости на 10 пФ будут одинаковыми и равны Δt= 16,8 мкс. Как было указано ранее, возрастание измеряемой емкости на 10 пФ не будет отражено на дисплее известного решения, так как Δt<Т1 (Т1=20,7 мкс). В заявляемом решении Δt можно заполнить 16 -ю счетными импульсами от генератора 12 (фиг. 1) при условии, что период их следования равен 1мкс (частота соответственно 1 МГц). Чувствительность заявляемого решения в данном случае - 10 пФ/16 счетных импульсов = 0,6 пФ/1 счетный импульс.

Результаты испытаний опытного образца заявляемого устройства подтверждают его высокую чувствительность до 1•10^-6 пФ, при высокой скорости одного измерения 0,2. .. 0,3 с. При такой чувствительности данное устройство может быть использовано для измерения, например, влажности воздуха, который циркулирует между обкладками конденсаторного датчика в качестве воздушного диэлектрика. Известно, что диэлектрическая проницаемость воздуха изменяется в четвертом разряде после запятой на несколько единиц, при изменении относительной влажности воздуха от 0 до 100%.

Использование: в средствах для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления преобразователей неэлектрических величин, а также в устройствах автоматики для контроля указанных величин. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства. Устройство содержит измерительный генератор, опорный генератор, первый и второй счетчики импульсов, устройство управления, блок измерения временного интервала, первую времязадающую цепь, которая содержит конденсатор (измеряемая емкость С1) и резистор (измеряемое сопротивление R1), вторую времязадающую цепь, которая состоит из конденсатора (опорная емкость С2) и резистора (опорное сопротивление R2). Измерительный и опорный генераторы выполнены, каждый, на двух одновибраторах, включенных по кольцевым схемам. Выход измерительного генератора подключен к входу первого счетчика, выход которого подключен к входу устройства управления, выход которого подключен к входам разрешения генерирования измерительного и опорного генераторов и к входам сброса первого и второго счетчиков, выход опорного генератора подключен к входу второго счетчика, выход которого подключен к входу блока измерения временного интервала, первая и вторая времязадающие цепи подключены к соответствующим выводам измерительного и опорного генераторов. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления, содержащее блок измерения временного интервала, состоящий из первого опорного генератора, выход которого подключен к первому входу логического элемента И, выход которого подключен к первому счетчику с дешифратором, многоразрядный выход которого подключен к дисплею, измерительный генератор, к которому подключена первая времязадающая цепь, содержащая или резистор, сопротивление которого необходимо измерить, и конденсатор известной емкости, или конденсатор, емкость которого необходимо измерить, и резистор известного сопротивления, при этом выход измерительного генератора подключен ко второму счетчику, выход которого подключен к первому устройству управления, выход которого подключен к входу сброса второго счетчика, вторую времязадающую цепь из резистора и конденсатора с известными величинами, отличающееся тем, что в него введены второй опорный генератор, третий счетчик, второе устройство управления, причем второй опорный и измерительный генераторы выполнены, каждый, на двух одновибраторах, включенных по кольцевым схемам с входами разрешения генерирования, выход второго опорного генератора подключен к третьему счетчику, выход которого подключен ко второму входу логического элемента И, и к входу второго устройства управления, выход которого подключен к входу сброса первого счетчика, выход первого устройства управления подключен к входам разрешения генерирования второго опорного и измерительного генераторов и к входу сброса третьего счетчика, вторая времязадающая цепь подключена к соответствующим выводам второго опорного генератора. 2. Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления по п. 1, отличающееся тем, что во времязадающие цепи обоих одновибраторов опорного генератора включены опорные элементы, а во времязадающие цепи первого и второго одновибраторов измерительного генератора включены элементы соответственно измеряемые и опорные. 3. Устройство для измерения электрической емкости и/или активного сопротивления по п.1, отличающееся тем, что блок измерения временного интервала подключен или к выходу третьего счетчика, а вход первого устройства управления к выходу второго счетчика, или к выходу второго счетчика, а вход первого устройства управления подключен к выходу третьего счетчика.