СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ ЕМКОСТИ C И СОПРОТИВЛЕНИЯ R ПАССИВНОГО ДВУХПОЛЮСНИКА Российский патент 2007 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров объектов, представляемых пассивными 2-элементными RC - двухполюсниками, имеющими параллельно включенные емкость С_х и сопротивление R_x.

Цель изобретения - повышение точности измерения, быстродействия, формирование цифрового выхода.

Известен способ измерения параметров нерезонансных двухполюсников, базирующийся на измерении фаз выходных синусоидальных сигналов при подаче на вход двух различных частот от управляемого кодом генератора гармонических сигналов. Изобретение SU №1674010 от 30.08.91. Авторы - Жуган Л.И. и др. Бюллетень №32.

Предлагаемый способ измерения параллельно включенных емкости С_х и сопротивления R_x пассивного двухэлементного двухполюсника (объекта измерения) заключается в формировании на его выходе прямоугольных импульсов различных частот, получаемых в процессе заряда-разряда цепи при включении и выключении входного прямоугольного сигнала от управляемого источника питания, путем изменения топологии измерительной цепи: вначале подключения собствебнной цепи двухполюсника и измерения частоты F_x, затем подключения в цепь эталонного конденсатора и измерения частоты F₀, далее отключения эталонного конденсатора, закорачивания цепи и измерения частоты F₁ короткозамкнутой цепи с последующим вычислением по соответствующим формулам значений емкости С_х и сопротивления R_x.

Устройство (фиг.1), поясняющий данный способ, содержит генератор тока 1, объект измерения 3, двухпороговый компаратор 5, в который входит частотомер (интегральный таймер-счетчик) с двумя опорными напряжениями нижнего U_н и верхнего U_в уровней, блок коммутации 2 с переключающими элементами 8, 9 и 10, эталонный конденсатор 4 с емкостью С₀ известной величины, вычислительное устройство 6, устройство индикации 7.

На вход объекта измерения 3 при замыкании ключа 8 подается прямоугольный сигнал от управляемого генератора тока 1, происходит заряд С_х R_x - цепи объекта в соответствии с фиг.2 (режим 1).

На выходе компаратора 5 происходит формирование прямоугольного импульса U_вых длительностью, равной времени заряда Т_з, в соответствии с зависимостью

где Е_i=I₀R_i - напряжение на клеммах генератора тока при отключенной нагрузке С_x цепи;

где I₀ - ток генератора;

R_i - внутреннее сопротивление эквивалентного генератора, определяемого из условия I₀→0 при отключенной нагрузке, при этом сопротивление цепи определяется равенством R_i=R_x, т.к. сопротивление генератора тока стремится к ∞,

τ_i=R_x С_x - постоянная времени цепи.

При достижении напряжения заряда на конденсаторе величины верхнего уровня компаратора U_в, блок коммутации ключом 8 отключает генератор тока, далее начинается разряд цепи объекта до нижнего уровня U_н, при этом время разряда T_р определяется формулой

Суммарное время заряда-разряда цепи равно сумме

Т_x=Т_з+Т_р

При достижении напряжения разряда цепи величины U_н блок коммутации вновь включает генератор тока для заряда цепи и так далее, обеспечивая процесс «заряд-разряд» цепи в пределах опорных верхнего и нижнего уровней напряжений компаратора. При этом на выходе компаратора формируется последовательность импульсов длительностью, соответствующей времени заряда Т_з, паузой - времени разряда Т_р с периодом Т_х и соответствующей частотой F_x

Подставляя в (3) выражения (1) и (2), получим

где

Далее с помощью ключа 10 параллельно С_x подключается эталонный конденсатор С₀, (фиг.2, режим 2) и вновь выполняются операции «заряд-разряд» полученной цепи. Аналогично предыдущей процедуре определяется период Т₀ и вычисляется частота F₀ новой последовательности импульсов, исходя из выражения, подобного (4), а именно

при этом F₀<F_x

Разделив выражение (4) на (6), получим

откуда определим неизвестную емкость объекта С_х, исключив влияние β и R_x:

Для определения величины R_x обеспечим в схеме процесс мгновенного разряда цепи (фиг.2, режим 3), выключив 10 и закоротив цепь с помощью контакта 9 коммутатора. При этом частота генерирования импульсов зависит только от времени заряда конденсатора С_х и определится по формуле

при этом F₁>F_x.

Разделив F₁ на F_x, получим

или

где А - постоянная величина, равная значению

Из выражения (10) получим формулу для определения R_x, а именно

Таким образом, значения С_х R_x объекта найдены без определения величины тока генератора тока.

Соотношения, аналогичные представленным, могут быть получены при питании схемы от источника напряжения.

Блок коммутации может быть реализован на полевых, биполярных транзисторах или герконах.

Недостатком полевых транзисторов является высокое сопротивление открытого канала, около 1 Ком. Лучшими характеристиками обладают биполярные транзисторы, сопротивление «эмиттер-коллектор» которых в открытом состоянии составляет около 100 Ом. Более приемлемым является обратное включение биполярного транзистора. Минимальным сопротивлением обладают герконы, однако они обладают низким быстродействием и при высоких частотах не используются.

Пример реализации блока коммутации на биполярных транзисторах представлен на фиг.3.

Микросхема DA 1 реализует функции компаратора и частотомера (интегральный счетчик), логические элементы определяют коммутацию источника тока.

В схеме возможны 3 режима.

Режим 1: входы а=0, б=0, производится процесс «заряд-разряд» цепи двухполюсника С_х, R_x и измерение частоты F_x.

Режим 2: входы а=1, б=0, производится процесс «заряд-разряд» цепи С_х+С₀ и измерение частоты F₀.

Режим 3: входы а=0, б=1, производится быстрый разряд цепи C_x, R_x и измерение частоты F₁.

Способ измерения параллельно включенных емкости С_х и сопротивления R_x пассивного двухэлементного двухполюсника заключается в формировании на его выходе прямоугольных импульсов различных частот, получаемых в процессе заряда-разряда цепи при включении и выключении входного прямоугольного сигнала от управляемого источника питания, путем изменения топологии измерительной цепи. Вначале подключают собственную цепь двухполюсника и измеряют частоту F_x, затем подключают в цепь эталонный конденсатор и измеряют частоту F₀, далее отключают эталонный конденсатор, закорачивают цепь и измеряют частоту F₁ с последующим вычислением по соответствующим формулам значений емкости С_х и сопротивления R_x. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения, быстродействия и формирование цифрового выхода. 3 ил.

Способ измерения параллельно включенных емкости С_х и сопротивления R_x пассивного двухэлементного двухполюсника, включающий измерение частот и вычисление значений емкости С_х и сопротивления R_x, отличающийся тем, что формируют на выходе двухполюсника прямоугольные импульсы различных частот, получаемых в процессе заряда-разряда измерительной цепи, состоящей из управляемого источника питания, блока коммутации, двухпорогового компаратора с двумя опорными напряжениями нижнего U_н и верхнего U_в уровней, совмещенного с частотомером, эталонного конденсатора и вычислительного устройства, при включении и выключении входного прямоугольного сигнала от управляемого источника питания, путем изменения топологии измерительной цепи: вначале подключают собственную цепь двухполюсника и измеряют частоту F_x, затем подключают в цепь эталонный конденсатор и измеряют частоту F₀, далее отключают эталонный конденсатор, закорачивают цепь двухполюсника и измеряют частоту F₁, а значения емкости С_х и сопротивления R_x вычисляют по формулам

где