Интегрирующий электрометр Советский патент 1984 года по МПК G01R19/00 

а

Фаг.}

2.Электрометр по п. 1, отличающийся тем, что в него вве ден усилитель напряжения, снабженный дифференциальным входным каскадом, неинвертирующий вход которого через токоограничивающий резистор соединен с выходом электрометрического усилителя, выход подключен к общему контакту переключателя, а инвертирующий вход подключен к регулируемому источнику двуполярного напряжения.

3.Электрометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в него

04426

введен токоограничивающий резистор, включенньй между выходом усилителя напряжения и общим контактом переключателя.

4. Электрометр по п. 1, отличающийся тем, что в него введен помехогасящий резистор, зашунтированный двумя параллельйо и встречно включенными диодами, подключенный между первым электродом запо.минающего конденсатора и нормально разомкнутым контактом переключателя.

1. ИНТЕГРИРУЩИЙ ЭЛЕКТРОМЕТР, содержащий электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены интегрирующий конденсатор и ключ, и запоминающий конденсатор, первьШ электрод которого подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования малых токов и зарядов, в ijero введены токозадающий гигаомный резистор, включенный между инвертируюпцт входом электрометрического усилителя и первым электродом запоминающего конденсатора, второй электрод которого подключен к общей щине, и программируемый генератор импульсов, подключенный к управляющим входам ключа и переключателя, причем общий контакт переключателя соединен с выходом электрометрического усшштеля, а нормально замкнутый контакт подключен к общей шине.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть применено при построении устройств для измерения малых токов и зарядов, поступающих, например, от пьезоэлект рических датчиков.

Известны интегрирующие электрометры, содержащие электрометрический усилитель, представляющий собой, в частности, операционный усилитель постоянного тока с дополнительным входным каскадом на МОП-транзисторах охваченный обратной связью через интегрирующий конденсатор, параллельно которому установлен ключ. Ключ позволяет производить начальную установку выходного напряжения путем быстрого разряда интегрирующего конденсатора при замыкании ключа l.

Недостатком устройства является низкая точность преобразования малых токов и зарядов вследствие дрейфа нуля усилителя и наброса заряда на интегрирующую емкость.

Наиболее близким к предложенному является интегрирующий электромотор, содержащий электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены интегрирующий конденсатор и ключ, переключатель и запоминающий конденсатор, первый электрод которого подключён к нормально разомкнутому контакту переключателя, а второй к выходу электрометрического усилителя 2.

Однако известное устройство не устраняет погрешности электрометра на его рабочей,измерительной, стадии, связанной с наличием паразитног тока на входе электрометра, в частности собственного тока самого электрометрического усилителя, паразитного тока пьезоэлектрического датчика, подключенного к входу электрометра, и т.д., что имеет особенно большое значение при измерении малых токов и зарядов.

Цель изобретения - повышение точности преобразования малых токов и зарядов.

Поставленная цель достигается тем, что в интегрирующий электрометр содержащий электрометрический усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого параллельно включены интегрирующий конденсатор и ключ, и запоминающий конденсатор, первый электрод которого подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя, введены токозадающий гигаомный резистор, включенный между инвертирующим входом электрометрического усилителя и первым электродо запоминающего конденсатора, второй электрод которого подключен к общей щине, и программируемый генератор импульсов, подключенный к управляющим входам ключа и переключателя, причем общий контакт переключателя соединен с выходом электрометрического усилителя, а нормально замкнутый контакт подключен к общей шине.

При этом в интегрирующий электрометр введен усилитель напряжения, снабженный дифференциальным входным каскадом, неинвертирующий вход которого через токоограничивающий резистор соединен с выходом электрометрического усилителя, выход подключен к общему контакту переключателя, а инвертирующий вход подключен к регулируемому источнику двуполярного напряжения.

Кроме того, в него введен токоограничивающий резистор, включенный между выходом усилителя напряжения и общим контактом переключателя, а также помехогасящий резистор, зашунтированный двумя параллельно и встречно включенными диодами, подключенньш между первым электродом запоминающего конденсатора и нормально разомкнутым контактом переключателя..

На фиг.1 представлена схема интегрирующего электрометра; на фиг.2 временные диаграммы напряжений электрометра, поясняющие его работу. Электрометр содержит электрометрический усилитель 1, между выходом и инвертирующим входом которого лельно включены интегрирующий конденсатор 2 и ключ 3, запоминающий конденсатор 4, первый электрод которого через помехагасящий резистор 5, зашунтированный встречно и параллельно включенными диодами 6 и 7, подключен к нормально разомкнутому контакту переключателя 8 и первому выводу гигаомного резистора 9,второй вывод которого соединен с инвертирующим входом электрометрического усилителя, а второй электрод подключен к общей шине, управляюпще входы ключа 3 и переключателя 8 подключены к программируемому генератору 10 импульсов, нормально разомкнутый контакт переклю чателя 8 соединен с общей шиной, а его общий контакт через токоограничивающий резистор 11 соединен с выходом усилителя 12 напряжения, неинвертирующий вход которого через резистор 13 соединен с выходом электрометрического усилителя 1, инвертирующий вход подключен к регулируемому источнику 14 двуполярного напряжения.

Электрометр работает следующим образом.

По поступлении кратковременного импульса напряжения(диаграмма 15, фиг.2) на управляющий вход ключа 3 последний замыкается и интегрирующий

конденсатор 2 быстро разряжается, причем на выходе электрометра устанавливается напряжение, близкое к нулевому уровню. По заднему фронту

указанного импульса ключ 3 размыкается, после чего программируемый генератор 10 импульсов вьфабатывает на своем- втором выходе импульс напряжения длительностью, например, порядка

0,1-10 с, поступающий на управляющий вход переключателя 8. В результате, токозадающнй гигаомный резистор 9 и запоминающий конденсатор 4 оказываются подключенными к выходу электрометрического усилителя 1.

Напряжение на обкладке конденсатора 4 отслеживает с небольшой задержкой выходной уровень электрометрического усилителя 1, и поэтому

почти одновременно с увеличением напряжения на выходе начинает увеличиваться компенсирующий ток, поступающий на инвертирующий вход электрометрического усилителя 1 по цепи обратной связи через токозадающий гигаомньш резистор 9 и имeющ iй противоположное направление по отношению к направлению паразитного входного тока электрометра. Вследствие этого результируюшдй входной ток уменьшается по абсолютной величине и, следовательно, уменьшается скорость изменения напряжения на выходе устройства. Постепенно нарастающий компенсирующий ток цепи обратной связи достигав величины паразитного входного тока электрометра, после чего напряжение на выходе электрометрического усилителя остается на неизменном уровне

(диаграмма 16, фиг.2).

По окончании импульса (диаграмма 17) переключатель 8 возвращается в исходное положение (фиг.1), а напряжение на выходе устройства (диаграмма 16) продолжает оставаться на неизменном уровне, поскольку выходное напряжение электрометрического усилителя 1, создающее необходимый компенсирующий ток, запоминается

на конденсаторе 4. Разряд конденсатора 4 при этом происходит весьма медленно, что определяется соответствующим выбором величины емкости запоминающего конденсатора 4 и исключительной высокоомностью токозадающего реанстора 9, имеющего сопротивление порядка 10-10 Ом, а также высоким сопротивлением изолятора переключателя 8, превышающего значение . После возвращения переключателя 8 в исходное положение генератор 10 вырабатывает второй раз кратковременный импульс, в результат чего интегрирующий конденсатор 2 пра тически мгновенно разряжается, а выходное напряжение интегрирующего электрометра принимает нулевое значение, сохраняющееся в течение нескольких секунд и даже минут после переброса ключа 3 в разомкнутое положение. Этот интервал времени соответствует измерительной стадии электрометра, при которой происходит поступление тока от датчика сигнала и ег.о преобразование в величину выходного напряжения электрометра. В случае, если пауза до начала эксперимента имеет большую длительность и выходное,напряжение электрометра отклоняется от нуля на значительную величину, генератор 10 вырабатьшает повторно импульс (диаграмма 17), при котором вторично корректируется уровень напряжения на запоминающем конденсаторе с компенсацией уходов дрейфа и других паразитных сигналов в электрометре. Таким образом, резистор 9 в сочетании с -запоми нающим конденсатором 4 образует не только автоматически управляемый источник компенсирующего тока,-определяя диапазон парируемых паразитных токов на входе электрометра, но и является нагрузкой для запоминающего конденсатора 4, определяя в первую очередь точность сохранения его заря да в течение всей измерительной стадии. Генератор 10 представляет собой программируемый генератор импульсов, запускаемый от испытуемого объекта шин оператором вручную. Длительность импульса (диаграмма 17) на втором выходе генератора 10 может иметь несколько фиксируемых значений, выбира емых заранее. Функции генератора 10 могут выполняться оператором, осуществляющим ручное переключение ключ 3 и переключателя 8 в нужной временн последовательности (фиг.2). Благодаря указанным схемотехническим особен ностям и алгоритму работы в сочетани с ключом, шунтирующим интегрирующим конденсатор, предложенная схема обес печивает автоматическую установку нулевого выходного напряжения и комп енсацию паразитного тока на входе электрометра и, следовательно, осу.ществляет компенсацию монотонных изменений электрического заряда .ненагруженного датчика, происходящих во времени с постоянной скоростью, что, как правило, наблюдается в реальных условиях проведения испытаний при секундных и минутных интервалах времени измерения. , Подключение инвертирующего входа усилителя 12 к разнополярным уровням постоянного напряжения источника 13 напряжения обеспечивает, во-первых, компенсацию собственного смещения нуля усилителя 12 напряжения и, вовторых, возможность подстройки на нуль выходного напряжения электрометрического усилителя 1 в режИме компенсации паразитного входного тока электрометра. Применение в электрометре переключателя 8 с подключением его нормально замкнутого контакта к общей шине . и токоограничивающего резистора 11 обеспечивает более высокую степень запоминания компенсирующего сигнала ,на конденсаторе 4 по сравнению с использованием нормально разомкнутого ключа. В последнем случае имеет место паразитный перезаряд запоминающего конденсатора 4 в течение времени измерительной стадии, обусловленный протеканием тока по изолятору ключа под действием выходного напряжения усилителя 12, усиливающего полезный сигнал с выхода интегрирующего электрометра. В случае применения переключателя 8 потенциал общего контакта переключателя, его нормально замкнутого контакта, корпуса и изолятора переключателя вблизи перечисленных контактов оказывается равным нулю,что и определяет малые токи утечки зарядов конденсатора 4 по изолятору переключателя. Таким образом, изобретение позволяет использовать в электрометре серийно выпускаемые переключатели общего применения вместо специальных прецизионных ключей. В случае, если длительность измерительной стадии является небольшой, что характерно, например, при измерении кратковременных импульсных процессов, вместо переключателя (фиг.1) может быть использован обычный ключ. Применение помехогасящего резистора 5 позволяет в несколько десятков раз уменьщить.переменные составляющие напряжения на запоминающем конденсаторе 4, обусловленные наводкой от промьшшенной сети, от силовых электрических коммутационных устройс и собственными шумами усилителей 1 и 12. Помехагасящий резистор 5 в сочетании с конденсатором 4 образует фильтр нижних частот, постоянная времени которого выбирается в несколько десятков раз больше, чем период наводимой помехи. При большом сопротивлении помехогасящего резистора 5 применение встречно включенны диодов 6, включенных параллельно резистору 5, позволяет в несколько десятков раз ускорить процесс автоматической компенсации входного паразитного тока.

Положительный эффект изобретения заключается в многократном повышении точности преобразования измеряемых

Ю

малых токов и зарядов, поступающих с датчика на вход интегрирующего электрометра, в величину выходного напряжения при длительности измерительной стадии порядка 1 с и более. При этом обеспечивается автоматический режим работы при небольшой длительности стадии автоматической установки нуля. В частности, изобретение позволяет осуществлять измерение квазистатических, механических и других физических величин при использовании в качестве первичных измерительных преобразователей пьезоэлектрических кварцевых датчиков силы, давления, ускорений и при исполь,зовании пьезокерамических датчиков, а также обеспечивает возможность выполнения статической градуировки измерительного тракта с пьезоэлектрическим датчиком.

Фиг.2