Устройство для измерения приращений емкости или индуктивности Советский патент 1981 года по МПК G01R27/26 

ИзоЬретение относится к измеритель ной технике и может быть использовано для точного измерения приращений емкости или индуктивности, а также неличин, которые могут быть представлены изменением емкости или индуктивности, например изменения зазора, толщины покрытия, износа поверхности там, где требуется высокая точность при очень высокой чувствительности (около 0,00001%), особенно там, где, наряду с точностью и чувствительностью, требуется большой диапазон измеряемых приращений, например при измерении неш1ос1 остности или непараллельности, поверхностей. Известен преобразователь малых приращений емкости или индуктивности в напряжение, содержащий образцовый и контролируемьй злементы, подключенные через ключ к измерительному гене ратору, смеситель, гетеродин, частотный детектор, усилитель низкой частотЫл инликатор и цепь автоподстройки частоты (АПЧ, .выполненную в виде дополнительного ключа, запоминающего блока;балансного усилителя, источника опорного напряжения и реактивного элемента, включенного в частотоз)здающую цепь измерительного генератора 1. Однако известное устройство обладает недостаточно высокой чувствительностью и точностью, при малрм диапазоИё измеряе1 О11х приращений. Недостаток точности обусловлен тем, что не все элементы схемы охвачены цепью АПЧ и их уходынё компенсируются, невозможностью значительного увеличения коэф фициента автоматической подстройки частоты, так как его увеличение ведет к увеличению времени подстройки частоты и уменьшению полосы схватывания, самим методом частотной подстройки, который позволяет только уменьшить начальную расстройку до величины остаточной расстройки, а не исключить ее. Недостаток чунствитель3ности обусловлен амплитудно-частотным методом измерения контролируемого приращения, причем чувствитель ность и диапазон измеряемых приращений связаны обратно пропорциональной зависимостью. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь малых, приращений емкости или индуктивности в код, содержащий образцовый и контролируемый элементы, подключенные через ключ к измерительному генератору, смеситель гетеродин, усилитель-ограничитель, фазовый детектор, фазосдвигающую и частотозависящую резонансную цепь (ЧРЦ, усилитель низкой частоты, ком паратор, одновибратор и цепь фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящую из дополнительного ключа, интегратора и реактивного элемента, включенного в частотозадаюр по цепь измерительного генератора р2. Недостатком этого устройства является очень узкий диапазон измеряемых приращений. Цель изобретения - расширение диа пазона измеряемых приращений емкости или индуктивности.. Поставленная цель достигается тем что в устройство для измерения приращений емкости или индуктивности, содержащее образцовый элемент, выход которого соединен с одним из входов ключа, другой вход которого соединен с зажимами для подключения контр лируемого элемента, а выход - с перч вым входом генератора, второй вход последнего соединен через реактивный элемент с интегратором, а выход - с одним из входов смесителя, другой вход которого соединен с выходом гетеродина, а выход - со входом усилителя-ограничителя, вьвсод которого со динен с первым входом фазового детек тора непосредственно, а со вторым входом - через последовательно соединенные фазосдвигающую и частотоэав симую резонансную цепи, выход фазового детектора подключен ко входу усилителя низко й частота, выход кото рого соединен с одним из входов компаратора, второй вход которого соеди нен с общей шиной и дополнительный юпрч, введены коммутатор, блок настройки, компенсирукщнй реактивный эле мент н индикатор, причем вход коммутатора подключен к выходу усилител низкой частоты, а выходы - к входам 5 интегратора и блока настройки, выход последнего подключен к индикатору и ко входу компенсирующего реактивного элемента, выход которого через дополнительный ключ соединен с частотозависимой резонансной цепью, управляющий вход коммутатора соединен с выходом компаратора, а коммутирующий выход с управляющими входами ключа и дойолнительного ключа. На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства для измерения приращений емкости или индуктивности. Устройство содержит образцовый элемент 1 и контролируемьй элемент 2, подключенные через ключ 3 ко входу генератора 4, к другому входу которого подключен реактивный элемент 5. Выход генератора 4 подключен к первому входу смесителя 6, ко второму входу которого подключен гетеродин 7. Выход смесителя 6 подключен ко входу усилителя-ограничителя 8, выход которого соединен с первым входом фазового детектора (ФД) 9 н через фазосдвигающую цепь 10 - с ЧРЦ 11. Выход последней соединен со вторым входом ФД 9. Выход ФД 9 посоединен ко входу усилителя 12 низкой частоты, выход которого соединен со входом коммутатора 13 и первым входом компаратора 14, второй вход которого соединен с общей щиной. Выход компаратора 14 соединен с управляющим входом коммутатора 13. Первый выход коммутатора 13 через интегратор 15 соединен со входом реактивного элемента 5. Второй выход коммутатора 13 соединен с блоком 16 настройки. Выход блока 16 настройки подключен к индикатору 17 и компенсирующему реактивному элементу 18, выход которого подключен ко входу дополнительного ключа 19. Выход дополнительного ключа 19 подключен к ЧРЦ 11. Коммутирукйций выход коммутатора 13 соединен с управляющими входами ключа 3 и дополнительного ключа 19. Процесс измерения приращений емкости или индуктивности складывается из двух тактов. В первом такте через ключ 3 к частотозаданяцей цепи генератора 4 подключается образцовый элемент 1 и производится компенсация уходов всех элементов схемы устройства. При этом с помощью цепи обратной связи, состоящей из интегратора 15 и реактив5ного элемента 5, восстанавливается такая частота генератора А, при которой на выходе усилителя 12 низкой частоты устанавливается напряжение, равное нулю. Это происходит следуишшм образом Вьзходное напряжение фазового детектора 9 усиливается в усилителе 12 низкой частоты и суммируется в интеграторе 15. Выходное напряжение последнего,- воздействуя на реактивный элемент 5, восстанавливает необходимую частоту генератора 4. ЧРЦ 11 рассчитывается совместно с образцовым элементом 1 так, чтобы в первоначальный момент времени вьшести реактивный элемент 5 на середину его характеристики. Как только компенсируется температурно-временной дрейф параметров элементов устройства, т.е. ЧРЦ 11 будет настроена в резонанс, на выход усилителя 12 низкой частоты установи ся напряжение, равное нулю, срабатьш ет компаратор 14. На этом заканчивается первый такт. Сигнал с выхода компаратора 14 поступает на управляющий вход коммутатора 13, который 9Тклзочаёт цепь обратной связи и пЬд лючает компенсируюгцую цепь. При это интегратор 15 запоминаез: величину необходимого воздействия на время действия второго такта. Компенсиру ющая (измерительная) цепь состоит и блока 16 настройки, компенсщ укщего реактивного элемента18 дополнител ного ключа 19 и индикатора 17. Во втором такте ключ 3, управляемый коммутатором 13, подключает к частотозадающей цепи генератора 4 кон тролируемый элемент 2. Одновременна коммутатор 13 подключает выход усилителя 12 низкой частоты к блоку 16 настройки и компенсируюр ий реактивный элемент 18 через допохшитеяьный ключ 19 к ЧРЦ 11. Сигнал от генератора 4 с частотой, соответствующей величине контролируемой емкости или индуктивности, подается на первый вход смесителя 6, на второй его вход подается сигнал гетеродина 7. Частота, равная разности этих частот, уси ливается в усилителе 8 и подается на первый вход ФД 9 и через фазосдвигающую цепь 10 на вход ЧРЦ 11. Комплексный коэффициент передачи ЧРЦ 11 меняется в соответствии с изменением частоты, поступающей на ее вход относительно частоты ее резонанса. С выхода ЧАЦ 1 1 сигнал поступает на второй вход ФД 9. На выходе ФД 9 присутствует сигнал, равный произведению сигналов, поступающих на его входы с учетом сдвига фаз между ними. Мгновенное напряжение на выходе усилителя 12 низкой частоты при условии, что фазосдвигающая цепь 10 обеспечивает предварительный сдвиг фазы на 90% определяется по формуле ), где К - коэффициент передачи усилителя ниэкой частоты, U()( наибольшее значение модуля . ФД 9; - мгновенная разность фаз на входах ФД 9.. Сигнал с выхода ФД 9 усиливается в усилителе 12 низкой частоты и поступает на вход блока 16 настройки. Блок 16 настройки перестраивает компенсирующий реактивный элемент 18j подключенный к ЧРЦ 11 до тех пор, пока ЧРЦ 11не будет настроена в резонанс, т.;е. на частотуи1(рц-|-р -lS) этом выходное напряжение ФД 9 и усилителя 12низкой частоты становится равным нулю и снова срабатывает компаратор 14. Коммутатор 13 отключает вход блока 16 настройки от выхода усилителя 12 низкой частоты и компенсирукяций реактивный элемент 18 от ЧРЦ 11. На этом заканчивается второй такт и начинается снова первый. При этом индикатор 17 показывает величину контролируемого приращения емкости или индуктивности. В качестве блока 16 настройки 1югут быть использованы, например, интегратор или серводвигатель, а в качестве компенсирующего реактивного элемента - варикан или переменная емкость f В качестве индикатора 17 Morjrr быть использованы стрелочный или цифровой вольтметры или шкала, расположенная на оси компенсирующего -реактивного элемента 18. При необходимости соосно с компенсирующим реактивным элементом можно установить высокоточный переменный резистор. Питание этого резистора необходимо осуществлять от высокостабильного источникао При этом выходное напряжение, снимаемое со средней точки это- . го резистора, пропорционально измеря