Устройство для измерения емкости Советский патент 1979 года по МПК G01R27/26 

1

Изобретение относится к области электро-радиоизмерительной техники и может быть использовано при измерении малых емкостей в диапазоне частот 1-100 МГц и выше..

Известно устройство для измерения составляющих комплексного сопротийления, содержащее частотно-неэависикшй усилитель, самобалансирующийся термисторный мост« делитель, составленный из активного сопротивления и измерительного колебательного контура I.

Недостатком такого устройства является низкая точность измерений, обусловленная автоколебательным методом измерения контролируемых napaJMeTрой,:

Н аиболее близким техническим решением к данному изобретению является измеритель импеданса, содержащий задающий генератор,включенный последовательно с эталонным сопротивлениол и внешними зажимами, дифференциальный усилитель, выход которого непосредственно и через фазовращатель подключен последовательно к усилителям-ограничителям, стробированньм усилите лям, индикаторам активной и реактивной составляющих импеданса, усилителя Фазоинвертора, при этом выход опорного канала соединен со входом дифференциальнохо усилителя, а также последоват.ельно с управляемым фазовращателем, аттенюатором, моделирующим сопротивлением, комплексным сопротивлением уравновешивания, другой вход дифференциального усилителя подключен к выходу аттенюатора и к одному из входозв нуЛГ-б&Т-йНа) выход опорного канала соединен с другим вхоДом нуль-органа 2.

Недостатком этого измерителя является то, что точность измерения емкости низкая, так как она определяется косвенным путем - путем соответствующих вйчисленйй по результатам измерения активной и реактивной составляющих ПОЛНОГО сопротивления, и при этом погрешность измерения этих составляющих входит в чистом виде в результат измерения емкости. Кроме того следует указать и на тот факт, что при измерений малой емкости ее активная.составляющая будет мала по. сравнению с реактивной, Ьри этом погрешность измерения этой активной составлякнцей резко возрастает, а следовательно и конечный результат, нахождение неизвестной малой емкости бу366дет определено с большой погрешностью 10-20%. Целью изобретения является повышемне точности измерения емкостей. Поставленная цель достигается тем, устройство для измерения емкостей содержащее задающий генератор, один выход которого соединен с одним из входов опорного канала стробоскопического преобразователя, и через эталонное сопротивление с первым зажимом для подключения объекта измерения и с одним из входов сигнального канала стробоскопического преобразователя, другой вход которого соединен с зажимом для подключения объектайзмё|рения и с другим выходе задающего геHepatopaV с общей шиной устройства: и с другим входом опЬрного кайала стробоскопического преобразовать, выход сигнального канала стробоскопическрго преобразователи соединен с одним из входов нуль-органа, другой вход которого соединен с одним из выводов моделирующего резистора, а также ключ, введены блок отношения частот , вычислительное устройство, первый и второй управляемые магазины сопротивлений j первая и вторая управляемая мера емкости, первый вход блока отношения частот соединен с одним выходом задающего генератора, а второй вход блока отнсяи енйя частот соединен с выходом опорного канала стробоскопического преобразователя и через моделирующий резистор с выходся первого управляемого магазина сопротивлений, с выходом первой управляемой меры емкости и с управлякадим вхо дом ключа, выход которого соединен с выходом второго управляемого магази:на сопротивлений и с одним из выходо второй управляемой меры емкости, а выход нуль-органа соединен с одними из входов первого и второго управляе мого магазина сопротивлений и первой и второй управляемой меры ёмкости, другие входы которых соединены с общей шиной устройства, при этом друго выход второй управля емой меры емкости соединен .с одним входсм блока вычисления, другой вход которого соеди нен с выходе блока отношения частот . - . ,- .- . . На чертеже приведена функциональная электрическая- предлагаемого устройства. К выходной цепи задающего генератора 1 с эталонны сопротивлением . () 2 подключено собственное сопро тивление (RC) 3 и емкость () 4 сиг нального канала стробоскопического, преобразователя 5, а также к ней через выходные згикимы подключается измеряемая емкость (Сх) 6 и ее сопроти ление утечки (RX) 7. Выход опорного кднёша стробоскопи ческого преобразователя 5 через моде лирующее сопротивление (R/) 8 подклю чей к первому управляемому магазину сопротивлений (Rg 9 и первой управляемой мере емкости (Сэ).) 10. Второй управляемый магазин сопротивлений (Rg) 11 и вторая управляемая мера емкости 12 соединяются с моделирующим сопротивлением 8 через ключ 13. Выход сигнального канала преобразг;вателя 5 подключен к первому входу нуль-органа 14, второй вход которого подключен к моделирующему сопротивлению 8, а его выход соединен с первыми и вторыми управляемыми магазинами сопротивлений и мерами емкостей. Выход задающего генератора 1 подключен ко входу блока отношения частоты 15, его второй вход соединен с выходом сигнального канала преобразователя 5, а выход подключен к блоку вычисления 16, соединенному со второй Управляемой мерой емкости 12. Измерение емкости осуществляется в два такта. В первотл такте измерения, называемом Тактом калибровки, измеряется собственное активное сопротивление 3 и емкость 4 сигнального канала преобразователя 5, причем ключ 13 находится в положении . Высокочастотный сигнал задаквдего генератора Jj и сигнал, выделяемый на входно л сопротивлении сигнального канала Ц , преобразуется в низкочастотные сигналы Щ) и фиксированной опорйой частоть/ (например 10 кГц) и при этом сохраняются их гииплитуднЬ-фазовые соотношения, т.е. ; , -; ,t«i5c cir где Uonj - преобразованное напряжение onopjapro канала; Uci - преобразованное напряжение сигнального канала. Применение моделирующей , состоящей из моделирукяцего резистора (Яд,) 8 первого управляемого магазинй соп1Х тйвлений (Rgj) 9 и первой управляемой меры емкости {Сэ) 10 позволяет смоделировать амплитудно-фазовые соотношения звысокочастотного сигнала задающего генё атора 1 и сигнала, выделяемого На собственном входном сопротивлении сигнального канала стробоскопического преобразователя 5, на низкой фиксированной Промежуточной , частоте опорного сигнала. Напряжение рассогласования нуль-органа 14 воздействует на управляемый магазин сопротивлений 9 и ;управляемую меру емкости до тех пор, пока напряжения Uci будут равды, как по модулю так и по фазе, где UMI напряжение, снимаемое с моделирующей депоч1«1 и учитывая, что R, R, а ; Uoni из условия равенства аргументов можно записать Л г, .гдес«)5 2ftfa- круговая частота задающего генератора, Upp Zltifip - круговая частота прео разованного сигнала, tc RgCc- постоянная времени/ входной цепи сигнального канала, постоянная времени мо делирующей цепи. Кроме того при этом будут равны и модели сопротивлений -ЛТио и,„-11„ где ( - полное сопротивпениа входной сигнального канала, , - полное сопротивление R // //C в моделирующей цепочке. Из равенства модулей и аргументов сопротивлений следует, что RC Rgi и емкость Ср определится как с --31 с„ - называется коэффициентом трансформации и определяется и блоке отнсядения частот 15. Во втором такте, называемом такто измерения неизвестной емкости Ск и е сопротивления утечки R, ключ находи ся в положении 2. Неизвестная ем кость подключается к входным клеммам Напряжение рассогласования, снимае мое с нуль-органа 14, воздействует только на управляемый магазин сопротивлений 11 и управляемую меру емкос ти 12 до тех п, noica не будут раины напряжения и Uc2 Io модулю и фазе . ;; . . . ..-.-:-- где UMZ напряжение, снимаемое с мо делирующей цепочки, Uc2 преобразованное найряжение сигнального канала. Учитывая вышеизложенное нетрудно - Сэ2 - показать, что ЕЭ, Операция деления производится в блоке вычисления 16, куда с блока от нсяиения частот 15 поступает сигнал, пропорциональный коэффициенту трансформации а также информация об эталонной емкости, снимаемая с управляе мой меры емкбрти 12. ВидНо что емкость, которая фикси руется в управляемой мере емкости 12 в коэффициент трансформации больше, чем неизвестная емкость, следователь но это устройство позволяет акже из мерять малые значения емкостей, деся тые и сотые доли и ПФ по показаниям емкостей в К раз больше измеряемых н низкой фиксированной частоте. Причем точность измерения неизвестной емкости по сравнению с известным измерителем импеданса высокая. Формула изобретения Устройство для измерения емкостей, содержащее задающий генератор, один выход которого,соединен с одним из .входов опорного канала стробоскопического преобразователя и через зталонное сопротивление с первым зажимом для подключения объекта измерения и с одним из входбв сигнального канала стробоскопического преобразователя, другой вход которого соединенс зажимом для подключения объекта измерения и с другим выходом задающего генератора, с общей шиной устройства и с другим входом опорного канала стробоскопического преобразователя, выход сигнального канала стробоскопического преобразователя соединен с одним из входов нуль-органа, другой вход которого соединен с одним из выводов моделирующего резистора, а также ключ, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены блок отношения чactoT, вычислительное устрсзйство, первый и второй управляекие магазины сопротивлений, первая и вторая управляемая мера ёмкости, причем первый вход блока отнсядеиия частот соединен с одним вьгходом задающего генератора, а второй вход блока отноше;ния частот соединен с выходом опорного канала стробоскопического преобразователя, и через моделирующий резисjTOp с выходе первого управляемого ма;Газина сопротивлений, с выходом первой управляемой меры емкости и с управляющим входом ключа, выход которО{го Соединен с вызсодОм второго управляемого магазина сопротивлений и.с . одним из выходой второй управляемой меры емкости, а выход нуль-органа соединен с одними КЗ входов первого и второго управляемого магазина сопро«Ивлений и первой и второй управляемой меры алкости, другие входы котоjaix соединены с общей шиной устройства, при этом другой выход второй управляемой меры емкости соединен с одним входом блока вычисления, другой вход которого соединен с выходом блока .отнетяения частот. . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 359613, кл.. Q Oil 27/26, 1971. 2,Заявка 2135721/21, л. Q 01-1 .27/02, от 1975, по которой ринято решение о выдаче авторского видетель.ства ,

г:,

;

л Сигнал нчи iratA