×
20.12.2014
216.013.132e

Результат интеллектуальной деятельности: НАКОПИТЕЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИССИПАТИВНЫХ CG-ДВУХПОЛЮСНИКОВ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров диссипативных CG-двухполюсников - эквивалентов емкостных измерительных преобразователей. Устройство содержит первый и второй источники образцового напряжения, электронный коммутатор, измеряемый CG-двухполюсник. Новым является использование для измерения параметров CG-двухполюсников электронного ключа, интегратора, переменного резистора R, операционного усилителя, инвертирующего триггера Шмидта, измерителя временных интервалов и измерителя напряжения. Технический результат заключается в повышении чувствительности к малым емкостям измерительного преобразователя на низких частотах. 3 ил.
Основные результаты: Накопительный измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, содержащий первый и второй источники образцового напряжения, электронный коммутатор, второй вход которого подключен ко второму источнику образцового напряжения, отличающийся тем, что в него введены электронный ключ, соединяющий первый источник образцового напряжения с первым входом электронного коммутатора и первым входом измерителя интервала времени, интегратор, соединяющий выход электронного коммутатора со вторым входом измерителя напряжения и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с входом инвертирующего триггера Шмидта и первым входом измерителя напряжения, а через переменный резистор - с инвертирующим входом операционного усилителя и измеряемым CG-двухполюсником, выход инвертирующего триггера Шмидта соединен с управляющим входом электронного коммутатора и вторым входом измерителя временных интервалов, третий вывод которого соединен с управляющим входом электронного ключа.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров диссипативных CG-двухполюсников - эквивалентов емкостных измерительных преобразователей. Оно может быть использовано в информационно-измерительных и управляющих системах диэлькометрического контроля диссипативных веществ и сред.

Известно устройство для прецизионного измерения электрической емкости [1], элементы и функциональные связи которого образуют автоколебательную систему, самовозбуждающуюся на резонансной частоте входного кварцевого полосового фильтра, одним из элементов которого является измеряемый конденсатор. При этом напряжение на выходе устройства пропорционально величине реактивного сопротивления измеряемой емкости.

К недостаткам данного изобретения можно отнести сравнительно узкий частотный диапазон и сложность перестройки по частоте.

Наиболее близким к заявленному решению может быть отнесен релаксационный измеритель параметров CG-двухполюсников [2], содержащий первый и второй источники образцового напряжения, подключенные к входам электронного коммутатора, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора, на инвертирующий вход которого подключен измеряемый CG-двухполюсник, модулирующий конденсатор, блок управления зарядом-разрядом, причем выход компаратора соединен с управляющим входом электронного коммутатора и входом блока управления зарядом-разрядом, а через буфер - с входами блока анализа и делителя частоты.

К недостаткам такого устройства можно отнести спад чувствительности к измеряемой емкости на низких частотах, что ограничивает частотный диапазон применения устройства величинами порядка единиц-десятков килогерц.

Цель изобретения - повышение чувствительности к малым емкостям измерительного преобразователя на низких частотах.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель параметров CG-двухполюсников, содержащий первый и второй источники образцового напряжения, электронный коммутатор, второй вход которого подключен ко второму источнику образцового напряжения, измеряемый CG- двухполюсник, введены электронный ключ, соединяющий первый источник образцового напряжения с первым входом электронного коммутатора и первым входом измерителя интервала времени, интегратор, соединяющий выход электронного коммутатора с неинвертирующим входом операционного усилителя и вторым входом измерителя напряжения, переменный резистор R, соединенный одним концом с инвертирующим входом операционного усилителя и измеряемым CG-двухполюсником, а другим с выходом операционного усилителя, входом инвертирующего триггера Шмидта и первым входом измерителя напряжения, операционный усилитель, инвертирующий триггер Шмидта, измеритель временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом инвертирующего триггера Шмидта и управляющим входом электронного коммутатора, а третий - с управляющим входом электронного ключа, измеритель напряжения.

На фигуре 1 приведена структурная схема устройства, на фигурах 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его принцип действия.

Устройство содержит источники образцового напряжения 1 и 2, электронный ключ 3, электронный коммутатор 4, измеряемый CG-двухполюсник 5, состоящий из проводимости 7 и емкости 8, интегратор 6, операционный усилитель 9, переменный резистор 10, инвертирующий триггер Шмидта 11, измеритель временного интервала 12, измеритель напряжения 13.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение источника образцового напряжения 1 соответствует уровню логической единицы. Источник образцового напряжения 2 вырабатывает напряжение, равное по модулю напряжению источника образцового напряжения 1, но противоположное по знаку. По сигналу от измерителя временного интервала 12 замыкается электронный ключ S1, и напряжение источника образцового напряжения 1 (U1, фигура 2) подается на первый вход измерителя временного интервала 12, запуская в нем по входу 2 следующие процессы:

а) однократное измерение периода сигнала (U2, фигура 2);

б) подсчет числа периодов сигнала (U2, фигура 2);

в) измерение длительности N периодов сигнала (U2, фигура 2).

Одновременно, через электронный коммутатор 4, напряжение U1 прикладывается к входу интегратора 6, запуская процесс формирования положительного полупериода измерительного сигнала. Напряжение на выходе интегратора 6 линейно нарастает, формируя фронт треугольного импульса (U4, фигура 2). Контроль над его уровнем обеспечивается по входу 2 измерителя напряжения 13. Кроме того, напряжение с выхода интегратора 6 прикладывается к неинвертирующему входу операционного усилителя 9. Операционный усилитель 9 охвачен цепью отрицательной обратной связи, включающей переменный резистор 10 и измеряемый CG-двухполюсник 5. Передаточная функция такой цепи

где ω - круговая частота; R - сопротивление переменного резистора 10.

На низких частотах при значениях емкости 8 (CX) порядка сотен пикофарад выполняется неравенство j·ω·CX·R<<R·GX. Поэтому сигнал, поступающий с выхода операционного усилителя 9 на первый вход измерителя напряжения 13, изменяется по амплитуде пропорционально проводимости 7 измеряемого CG-двухполюсника 5 в соответствии с выражением

где .

Этот сигнал поступает также на вход инвертирующего триггера Шмидта 11 с фазовым сдвигом (фигура 3), зависящим от емкости 8 измеряемого CG-двухполюсника 5

По достижении верхнего порогового значения триггер Шмидта 11 переключается, завершая формирование положительного полупериода измерительного сигнала (U2, фигура 2). С выхода триггера Шмидта 11 сигнал поступает на второй вход измерителя временного интервала 12.

Для запуска процесса формирования отрицательного полупериода измерительного сигнала напряжение с выхода инвертирующего триггера Шмидта 11 подается на электронный коммутатор 4, подключая к входу интегратора 6 источник 2. При воздействии на вход интегратора 6 отрицательного напряжения на его выходе формируется срез треугольного импульса (U3, фигура 2). Это линейно снижающееся напряжение, проходя через операционный усилитель 9, охваченный петлей обратной связи из переменного резистора 10 и измеряемого CG- двухполюсника 5, изменяется по амплитуде в K раз (выражение 2) и имеет сдвиг фазы, описываемый выражением (3) (U3, фигура 2). С выхода операционного усилителя 9 сигнал вновь подается на измеритель напряжения 13 и инвертирующий триггер Шмидта 11. При достижении нижнего порога переключения на выходе инвертирующего триггера Шмидта 11 формируется высокий уровень напряжения U2. Этим сигналом переключается электронный коммутатор 4 и завершается формирование отрицательного полупериода измерительного сигнала. Описанный процесс формирования измерительного сигнала повторяется вновь. К моменту окончания N-го периода измерительного сигнала измеритель временного интервала 12 выдает сигнал на размыкание электронного ключа 3.

Таким образом, измеряемый CG-двухполюсник 5 находится под воздействием сигнала негармонического, но наиболее близкого к синусоидальному - пилообразного (напряжение U3, фигура 2). Спектр такого сигнала ограничен всего тремя-пятью гармониками, что весьма важно, поскольку устройство предназначено для определения диэлектрических величин в выбранном спектре частот.

Измерение емкости и проводимости производится косвенно. Из выражения (2) можно получить значение проводимости 7:

Тогда определение GX сводится к следующему алгоритму:

1) в ходе измерений подбором сопротивления R переменного резистора 10 обеспечить отношение U3/U4=2;

2) определить значение R;

3) рассчитать проводимость GX.

Значение емкости 8 вычисляется из результата измерения угла сдвига фазы при прохождении сигнала с периодом T через измеряемый двухполюсник. Из выражения (3) можно получить

где

При CX=0 фазовый сдвиг равен нулю (U5, фигура 3). Однако при высоких проводимостях GX и емкостях CX порядка сотен пикофарад на частотах порядка десятков-сотен Гц фазовый угол составит величины лишь порядка десятитысячных долей градуса. Из выражения (6) можно показать, что в единицах непосредственно измеряемой величины - времени (τ) - такой фазовый угол эквивалентен десятым долям микросекунды. Высокоточные измерения величин такого порядка затруднены. Поэтому для повышения точности в предлагаемом техническом решении использовано накопление временного интервала τ за счет многократного прохождения генерируемого сигнала через измеряемый двухполюсник (U3, фигура 3).

В процессе накопления временной интервал возрастает до величины 2·N·τ, что позволяет уверенно выделить ее из результатов прямых измерений суммарного времени.

Таким образом, от начала отсчета (момента включения электронного ключа 3) до останова (окончания N-го периода) на измерителе временного интервала 12 (PΔt) фиксируется период T1 и суммарный временной интервал, описываемый выражением

где T1=T-2τ, период при CX=0.

Откуда, при известных T1 и N можно вычислить τ с высокой точностью. Тогда с учетом выражений (5), (6) и (7) выражение для вычисления емкости измеряемого CG- двухполюсника 5 можно представить в виде:

Таким образом, в отличие от известных, предложенный накопительный измеритель параметров CG-двухполюсников позволяет проводить измерения параметров CX и GX на частотах порядка десятков-сотен герц с повышенной точностью. Частота основной гармоники сигнала зависит от характеристик интегратора 6.

Список используемой литературы

1. Патент №2239200 (Россия), МКИ G01R 27/26, G01R 17/10 / Устройство для прецизионного измерения электрической емкости / Раховский В.И., Дагаев В.Ю. Заявл. 26.03.2001. - №2001107631/09 (Россия); опубл. - 10.03.2003.

2. Патент №2260190 (Россия), МКИ G01R 27/26 / Релаксационный измеритель параметров CG-двухполюсников / Подкин Ю.Г., Мишков М.Ю. Заявл. 06.02.2004. - №2004103523/28 (Россия); опубл. - 10.09.2005.

Накопительный измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, содержащий первый и второй источники образцового напряжения, электронный коммутатор, второй вход которого подключен ко второму источнику образцового напряжения, отличающийся тем, что в него введены электронный ключ, соединяющий первый источник образцового напряжения с первым входом электронного коммутатора и первым входом измерителя интервала времени, интегратор, соединяющий выход электронного коммутатора со вторым входом измерителя напряжения и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с входом инвертирующего триггера Шмидта и первым входом измерителя напряжения, а через переменный резистор - с инвертирующим входом операционного усилителя и измеряемым CG-двухполюсником, выход инвертирующего триггера Шмидта соединен с управляющим входом электронного коммутатора и вторым входом измерителя временных интервалов, третий вывод которого соединен с управляющим входом электронного ключа.
НАКОПИТЕЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИССИПАТИВНЫХ CG-ДВУХПОЛЮСНИКОВ
НАКОПИТЕЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИССИПАТИВНЫХ CG-ДВУХПОЛЮСНИКОВ
НАКОПИТЕЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИССИПАТИВНЫХ CG-ДВУХПОЛЮСНИКОВ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 11-18 of 18 items.
20.07.2015
№216.013.63b8

Параметрический rc-элемент с распределёнными параметрами

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании аналоговых устройств обработки и формирования сигналов дробного порядка. Параметрический RC-элемент с распределенными параметрами (RC-ЭРП) состоит из последовательно чередующихся диэлектрических и резистивных слоев...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557075
Дата охранного документа: 20.07.2015
10.08.2015
№216.013.6d63

Способ оценки риска размножения сине-зеленых водорослей в водоеме

Изобретение относится к области исследований экологического состояния водоемов. Способ включает определение среднемесячной температуры воды, уровня выпавших осадков и уровня влажности воздуха. Показатель риска размножения сине-зеленых водорослей в водоеме вычисляют по математической...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559561
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.12.2015
№216.013.973e

Электрод сравнения

Использование: для контроля площади металлизации трехмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что электрод сравнения, содержит структуру, на поверхность которой предварительно нанесен токопроводящий рисунок, состоящий из элементов простой геометрии различной формы и размеров,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002570338
Дата охранного документа: 10.12.2015
20.03.2016
№216.014.c5ca

Устройство диагностирования и оценки технического состояния мехатронных приводов

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим измерение двух или более переменных величин, и может быть использовано в составе оборудования, содержащего мехатронные приводы. Как известно, мехатронные устройства сочетают в себе узлы точной механики с блоками электроники и компьютерными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578044
Дата охранного документа: 20.03.2016
27.03.2016
№216.014.c640

Способ газификации топлива для питания двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам для генерирования газообразного топлива из твердого углеродосодержащего сырья. Предложен способ газификации топлива для питания двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в котором газогенераторный газ, подаваемый из газогенератора 2,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578503
Дата охранного документа: 27.03.2016
20.04.2016
№216.015.3645

Шароколесный движитель

Изобретение относится к транспортным средствам с движителями, взаимодействующими с поверхностью дороги. Шароколесный движитель содержит держатель и опорный шар, роликовые опоры, выполненные в виде попарно установленных и кинематически соединенных между собой шпинделей с роликами. Дополнительно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581806
Дата охранного документа: 20.04.2016
26.08.2017
№217.015.e014

Устройство для дорнования глубоких отверстий

Изобретение относится к устройству для дорнования глубоких отверстий. Устройство содержит переднюю и заднюю опоры с выполненными внутри них каналами для подачи смазки. В задней опоре с созданием входной герметизирующей зоны установлен пружинно-поршневой механизм для подачи дорна-пуансона. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625364
Дата охранного документа: 13.07.2017
13.02.2018
№218.016.2558

Система защиты охраняемой территории

Изобретение относится к сигнальным устройствам, оснащенным в том числе видеокамерами и предназначенным для охраны территории, например линейного участка границы, и может быть использовано для обеспечения безопасности от террористических угроз. Технической задачей, на решение которой направлено...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642336
Дата охранного документа: 24.01.2018
Showing 11-18 of 18 items.
20.07.2015
№216.013.63b8

Параметрический rc-элемент с распределёнными параметрами

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при создании аналоговых устройств обработки и формирования сигналов дробного порядка. Параметрический RC-элемент с распределенными параметрами (RC-ЭРП) состоит из последовательно чередующихся диэлектрических и резистивных слоев...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557075
Дата охранного документа: 20.07.2015
10.08.2015
№216.013.6d63

Способ оценки риска размножения сине-зеленых водорослей в водоеме

Изобретение относится к области исследований экологического состояния водоемов. Способ включает определение среднемесячной температуры воды, уровня выпавших осадков и уровня влажности воздуха. Показатель риска размножения сине-зеленых водорослей в водоеме вычисляют по математической...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002559561
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.12.2015
№216.013.973e

Электрод сравнения

Использование: для контроля площади металлизации трехмерных структур. Сущность изобретения заключается в том, что электрод сравнения, содержит структуру, на поверхность которой предварительно нанесен токопроводящий рисунок, состоящий из элементов простой геометрии различной формы и размеров,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002570338
Дата охранного документа: 10.12.2015
20.03.2016
№216.014.c5ca

Устройство диагностирования и оценки технического состояния мехатронных приводов

Изобретение относится к устройствам, обеспечивающим измерение двух или более переменных величин, и может быть использовано в составе оборудования, содержащего мехатронные приводы. Как известно, мехатронные устройства сочетают в себе узлы точной механики с блоками электроники и компьютерными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578044
Дата охранного документа: 20.03.2016
27.03.2016
№216.014.c640

Способ газификации топлива для питания двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам для генерирования газообразного топлива из твердого углеродосодержащего сырья. Предложен способ газификации топлива для питания двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в котором газогенераторный газ, подаваемый из газогенератора 2,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002578503
Дата охранного документа: 27.03.2016
20.04.2016
№216.015.3645

Шароколесный движитель

Изобретение относится к транспортным средствам с движителями, взаимодействующими с поверхностью дороги. Шароколесный движитель содержит держатель и опорный шар, роликовые опоры, выполненные в виде попарно установленных и кинематически соединенных между собой шпинделей с роликами. Дополнительно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002581806
Дата охранного документа: 20.04.2016
26.08.2017
№217.015.e014

Устройство для дорнования глубоких отверстий

Изобретение относится к устройству для дорнования глубоких отверстий. Устройство содержит переднюю и заднюю опоры с выполненными внутри них каналами для подачи смазки. В задней опоре с созданием входной герметизирующей зоны установлен пружинно-поршневой механизм для подачи дорна-пуансона. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625364
Дата охранного документа: 13.07.2017
13.02.2018
№218.016.2558

Система защиты охраняемой территории

Изобретение относится к сигнальным устройствам, оснащенным в том числе видеокамерами и предназначенным для охраны территории, например линейного участка границы, и может быть использовано для обеспечения безопасности от террористических угроз. Технической задачей, на решение которой направлено...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642336
Дата охранного документа: 24.01.2018
+ добавить свой РИД