СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ Российский патент 2023 года по МПК G01R27/26 G01R31/64 

Изобретение относится к измерительной технике и системам обработки информации и может быть использовано для измерения электрической емкости (конденсаторных датчиков различных технологических параметров: уровня, давления, перемещения и т.д.), контролируемой в измерительном тракте с заранее неизвестными значениями сопротивления и емкости измерительного тракта, сопротивления настраиваемого токоограничительного резистора.

Известны способы измерения электрической емкости конденсаторов. Наиболее распространенными являются мостовой, резонансный, замещения, биений, метод амперметра и вольтметра и т.д. Общим недостатком измерения емкости конденсаторов являются трудность измерения емкости на постоянном токе и высокая погрешность на низкой частоте измерения.

Известен способ измерения электрической емкости, основанный на измерении частоты сигнала генератора, в частотно-задающую цепь которого включена измеряемая емкость. При этом значение измеряемой емкости определяется как функция частоты сигнала на выходе генератора. Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г. Электрорадиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1985. - С. 203. Недостатками известного способа являются высокая погрешность измерения, связанная с нестабильностью частоты генератора и нелинейностью его характеристики, при этом чем ниже частота генератора, тем выше погрешность измерения, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе.

Наиболее точным способом измерения емкости является мостовой способ, который основан на включении измеряемой емкости в состав одного из плеч измерительного моста, питаемого переменным током с последующим определением емкости по величине напряжения в измерительной диагонали моста. Хромой Б.П., Моисеев Ю.Г. Электрорадиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1985. - С. 199. Недостатками этого способа измерения также являются высокая погрешность измерения на низкой частоте, а также невозможность измерения емкости на постоянном токе.

Известен способ измерения электрической емкости на постоянном электрическом токе, измеряемой путем счета электронов. Согласно способу постоянный электрический ток воспроизводят с помощью цепи, выполненной в виде измеряемого конденсатора Сх и генератора линейно изменяющегося напряжения, а значение электрической емкости определяется по времени Δt, за которое разность напряжения между электродами конденсатора достигнет определенного уровня ΔU, количеству электронов, прошедших по цепи воспроизводимого тока за это время (при этом фиксируется каждый электрон, проходящий по цепи воспроизведения тока), и заряду электрона, эти значения подаются на персональный компьютер и им обрабатываются по формуле: Cx=e⋅f⋅Δt/ΔU, где: е - элементарный заряд электрона; f - измеряемая частота (число) электронов на выходе измерителя тока; Δt - время, за которое напряжение изменяется на величину ΔU; при этом измерение электрической емкости конденсатора происходит в условиях эксплуатации конденсатора при прохождении через него воспроизводимого постоянного тока. Патент РФ №2577803, МПК G01R 27/26, 20.03.2016. В этом способе емкость конденсатора определяется по времени Δt, за которое изменяется напряжение на величину ΔU, заряду электрона е и количеству электронов f, но при этом не учитываются неизвестные значения сопротивления и значение емкости измерительного тракта, которое может оказывать существенное влияние, может быть соизмеримо или даже больше значения контролируемой емкости.

Известен способ измерения электрической емкости, основанный на регистрации времени заряда t₁ измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор R постоянного напряжения E до момента достижения на измеряемом конденсаторе C_X заранее принятого порогового значения напряжения U₀. Заменив измеряемый конденсатор C_X образцовым конденсатором C_O с известной емкостью, измеряют время заряда образцового конденсатора t₂, не меняя при этом значения сопротивления резистора R, напряжения зарядного источника E и заранее принятого порогового значения напряжения U₀ на конденсаторе. Измеряемую емкость вычисляют по формуле:

C_X=C_O*t₁/t₂

где C_O - емкость образцового конденсатора; t₁ - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью C_X до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках; t₂ - время заряда конденсатора C_O до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках. Патент РФ №2647564, МПК G01R 27/26, G01R 17/00, 16.03.2018. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является то, что в измерительный тракт должна быть включена методом замещения измеряемой емкости C_X заранее известная емкость C_O и отсутствует оценка влияния на точность метода измерений неизвестного значения сопротивления и значения емкости измерительного тракта, которое может оказывать существенное влияние, может быть соизмеримо или даже больше значения измеряемой емкости C_X.

Техническим результатом является повышение точности измерений электрической емкости и исключение влияния неизвестных значений сопротивления настраиваемого токоограничительного резистора и сопротивления и емкости измерительного тракта на результат измерений емкости C_X.

Технический результат достигается тем, что емкость измеряют с помощью измерительного тракта на спаде напряжения с высокого уровня до низкого, при этом калибруют измерительный тракт и определяют его сопротивление и емкость и установившееся значение напряжения; через токоограничивающий резистор заряжают измеряемую электрическую емкость до установившегося значения напряжения; разряжают емкость на активную высокоомную нагрузку измерительного тракта и измеряют время спада напряжения от высокого до низкого уровня; измеряют суммарную емкость - емкость параллельно включенных емкостей измерительного тракта и искомой емкости; определяют искомую емкость как разность двух измерений.

Схема измерения приведена на фиг. 1.

Процесс измерения емкости отображен на фиг. 2.

Способ измерения емкости основан на зарядке:

- электрической емкости С_ИТ измерительного тракта до установившегося значения напряжения через токоограничивающий резистор R₀ с последующей разрядкой на активную высокоомную нагрузку R_ИТ измерительного тракта;

- электрической емкости С_изм параллельно включенных электрических емкости измерительного тракта и измеряемой емкости объекта контроля до установившегося значения напряжения через токоограничивающий резистор R₀ с последующей разрядкой на активную высокоомную нагрузку R_изм.

Измерение электрической емкости измерительного тракта С_ИТ проводят при разомкнутом ключе K_X, измерение параллельно включенной суммарной электрической емкости С_изм (параллельно включенных емкостях С_ИТ и С_Х) проводят с замкнутым ключом K_X.

С помощью измерительного канала Ω после замыкания ключей K₅ и K₆ выполняется подстройка и измерение настраиваемого сопротивления токоограничивающего резистора R₀, обеспечивающее протекание необходимого тока. После чего канал Ω отключается от схемы размыканием ключей K₅ и K₆.

Выполняется проверка значения сопротивления R₀. Значение R₀ должно находиться в установленных пределах, в противном случае схема контроля считается неисправной.

Нагрузка измерительного тракта R_ИТ включает в себя входные сопротивления R_Vн и R_Vк двух измерителей напряжения V_H и V_K. Значения сопротивлений цепей связи незначительны и учитываются в суммарном сопротивлении R_ИТ высокоомной нагрузки. Установившееся напряжение U_ИТ в измерительной цепи, а также сопротивления R₀ токоограничивающего резистора, R_ИТ измерительного тракта и электрическая емкость измерительного тракта С_ИТ заранее неизвестны. Для исключения емкости измерительного тракта С_ИТ, дополнительно в измерительный тракт может быть встроен конденсатор, параллельно подключаемый к измеряемой емкости С_Х. Кроме того, значение напряжения U_ИТ зависит от значений сопротивлений R₀ и R_ИТ, поэтому перед измерением выполняется калибровка схемы с использованием измерителей сопротивления Ω и напряжения V_H и V_E. В результате калибровки измерительного тракта определяются сопротивление нагрузки R_ИТ и установившееся напряжение U_ИТ.

С помощью измерителя напряжения V_H выполняется контроль начального напряжения U_ИТ на электрической емкости измерительного тракта С_ИТ для проверки целостности измерительной цепи и отсутствия накопленного заряда.

Установившиеся значения напряжений U_E и U_ИТ измеряется после замыкания ключей K₁ и K₂ (подключения источника напряжения Е). Для этого к схеме с помощью ключей K₃ и K₄ подключается измеритель напряжения V_E. После проведения измерений измеритель напряжения V_E отключается от схемы размыканием ключей K₃ и K₄.

Выполняется проверка значений установившихся напряжений U_E и U_ИТ. Значение U_E и U_ИТ должно находиться в заданных пределах, в противном случае схема контроля считается неисправной.

Выполняется вычисление сопротивления измерительного тракта R_ИТ по формуле:

R_ИТ=(U_ИТ⋅R_огр)/(U_E-U_ИТ);

Значение сопротивления измерительного тракта R_ИТ должно находиться в заданных пределах, в противном случае схема контроля считается неисправной.

Источник питания отключается от схемы размыканием ключей K₁ и K₂ для обеспечения разрядки оцениваемой емкости С_ИТ измерительного тракта. При этом измерители напряжения V_H и V_K фиксируют моменты t_НИТ и t_KИТ достижения напряжением на емкости заранее заданных пороговых уровней -верхнего U_НИТ и нижнего U_KИТ.

По полученным значениям определяют значение электрической емкости измерительного тракта С_ИТ по формуле:

С_ИТ=(t_КИТ - t_НИТ)⋅(R_ИТ⋅ln(U_НИТ/U_КИТ))^-1.

Замыкается ключ K_X для подключения к измерительному тракту объекта контроля.

Далее выполняется повторное измерение.

Нагрузка измерительного тракта R_изм включает в себя шунтирующий резистор R_Q объекта контроля и входные сопротивления R_Vн и R_Vк двух измерителей напряжения V_H и V_K. Значения сопротивлений цепей связи незначительны и учитываются в суммарном сопротивлении R_изм высокоомной нагрузки. Установившееся напряжение U_изм в измерительной цепи, а также сопротивления R₀ настраиваемого токоограничивающего резистора, электрическое сопротивление R_изм измерительного тракта с шунтирующим сопротивлением R_Q и суммарная электрическая емкость С_изм (параллельно включенные емкости измерительного тракта С_ИТ и измеряемой емкости С_Х) заранее неизвестны. Кроме того, значение напряжения U_изм зависит от R₀ и R_изм, поэтому перед измерением выполняется калибровка схемы с использованием измерителей сопротивления Ω и напряжения V_H и V_E. В результате калибровки измерительного тракта с подключенной измеряемой емкостью С_Х определяются сопротивление нагрузки R_изм и установившееся напряжение U_изм.

С помощью измерителя напряжения V_H выполняется контроль начального напряжения U_изм на объекте контроля для проверки целостности шунтирующего сопротивления R_Q и отсутствия накопленного заряда.

Установившиеся значения напряжений U_E и U_изм измеряются после замыкания ключей K₁ и K₂ (подключения источника напряжения Е). Для этого к схеме с помощью ключей K₃ и K₄ подключается измеритель напряжения V_E. После проведения измерений измеритель напряжения V_E отключается от схемы размыканием ключей K₃ и K₄.

Выполняется регистрация значений установившихся напряжений U_E и U_изм. Выполняется вычисление сопротивления измерительного тракта R_изм по формуле:

R_изм=(U_изм⋅R_огр)/(U_E-U_изм);

Источник питания отключается от схемы размыканием ключей K₁ и K₂ для обеспечения разрядки оцениваемой суммарной электрической емкости С_изм. При этом измерители напряжения V_H и V_K фиксируют моменты t_H и t_K достижения напряжением на суммарной электрической емкости С_изм заранее заданных пороговых уровней - верхнего U_H и нижнего U_K.

По полученным значениям определяют значение суммарной электрической емкости С_изм по формуле:

С_изм=(t_К-t_H)⋅(R_изм⋅ln(U_H/U_K))^-1;

Значение измеряемой электрической емкости C_X определяется как разность значений электрической емкости параллельно включенных емкостей С_изм и электрической емкости измерительного тракта С_ИТ по формуле:

С_Х=С_изм-С_ИТ

Таким образом, предложенный способ измерений исключает влияние значений электрической емкости измерительного тракта, значений сопротивлений токоограничивающего резистора и сопротивлений активной высокоомной нагрузки измерительного тракта на точность измерений.

Способ измерения электрической емкости (в т.ч. различных конденсаторных датчиков различных технологических параметров: уровня, давления, перемещения и т.д.), контролируемой в измерительном тракте, заключается в том, что измерения производятся методом заряда емкости до установившегося значения напряжения с последующим измерением интервала времени спада напряжения от высокого до низкого уровня в процессе разряда емкости на активную высокоомную нагрузку измерительного тракта. Способ измерения применим при заранее неизвестных значениях сопротивления и емкости измерительного тракта, сопротивления токоограничительного резистора. Перед измерениями значения сопротивлений и емкостей, установившиеся значения напряжений, сопротивлений и емкостей нагрузки определяются в результате калибровки измерительного тракта. Для определения значения измеряемой емкости выполняются два измерения: измерение емкости измерительного тракта и измерение параллельно включенных искомой емкости совместно с емкостью измерительного тракта, измеряемая емкость определяется посредством разности двух измерений. 2 ил.

Способ измерения электрической емкости, контролируемой в измерительном тракте, заключающийся в том, что калибруют измерительный тракт и определяют емкость измерительного тракта:

- задают входное напряжение U_E;

- измеряют U_ИТ - зарядное напряжение на емкость измерительного тракта С_ит;

- измеряют сопротивление токоограничительного резистора R_огр;

- определяют сопротивление измерительного тракта

R_ИТ=(U_ИТ⋅R_огр)/(U_E-U_ит);

- задают уровни напряжений U_НИТ и U_КИТ при разряде емкости;

- измеряют значения времени t_НИТ и t_КИТ, соответствующие U_НИТ и U_КИТ;

- определяют емкость измерительного тракта

С_ИТ=(t_КИТ-t_НИТ)⋅(R_ИТ⋅ln(U_НИТ/U_КИТ))^-1;

подключают измеряемую емкость С_Х и определяют С_изм - суммарную емкость параллельно включенных емкости измерительного тракта С_ит и измеряемой емкости С_Х;

- измеряют U_изм - напряжение на суммарной емкости С_изм;

- определяют сопротивление измерительного тракта с измеряемой емкостью

R_изм=(U_изм⋅R_огр)/(U_E-U_изм);

- задают уровни напряжений U_H и U_К при разряде суммарной емкости С_изм;

- измеряют значения времени t_Н и t_К, соответствующие U_H и U_К;

- определяют суммарную емкость

С_изм=(t_К-t_H)⋅(R^изм⋅ln(U_H/U_K))^-1;

определяют измеряемую емкость

С_Х=С_изм-C_ИТ.