×
04.04.2018
218.016.300d

Способ измерения электрической емкости

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке приборов, предназначенных для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости заключается в регистрации времени заряда измеряемого конденсатора с момента подачи на него через резистор постоянного напряжения до момента достижения на измеряемом конденсаторе заранее принятого порогового значения напряжения. При этом после подключения последовательно к измеряемому конденсатору образцового конденсатора с известной емкостью снова измеряют время заряда этих конденсаторов, не меняя при этом значения сопротивления резистора, напряжения зарядного источника и заранее принятого порогового значения напряжения на обкладках этих конденсаторов, и измеряемую емкость вычисляют по формуле где C - емкость образцового конденсатора; t - время заряда конденсатора с измеряемой емкостью C до заранее принятого порогового значения напряжения на его обкладках; t - время заряда цепи из последовательно соединенных конденсаторов C и C до заранее принятого порогового значения напряжения на их обкладках. Техническим результатом является повышение точности измерения электрической емкости. 3 ил., 1 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке приборов, предназначенных для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.).

Уровень техники

Известно много способов измерения электрической емкости, среди которых можно отметить:

- способы, использующие резонансные свойства колебательного контура, содержащего катушку индуктивности и конденсатор с измеряемой емкостью CX (Полулях К.С. Резонансные методы измерений. - М.: Энергия, 1980. - 120 с.);

- способы измерения параметров RC-генератора, содержащего во времязадающей цепи измеряемый конденсатор CX (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - 624 с.);

- мостовые методы, основанные на сравнении измеряемой емкости с образцовой (Шарапов В.М. Емкостные датчики. В.М. Шарапов, И.Г. Минаев и др. Под ред. В.М. Шарапова. - Черкассы: Брама-Украина, 2010. - 152 с.).

Недостаток перечисленных способов заключается в необходимости использования и обработки высокочастотных сигналов, что усложняет их техническую реализацию.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым авторами за прототип является известный способ измерения электрической емкости на постоянном токе, основанный на измерении параметров переходного процесса в пассивном линейном четырехполюснике, содержащем конденсатор с измеряемой емкостью CX и активное сопротивление R в цепи его зарядки от источника постоянного тока с напряжением E. (Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. М.: Техносфера, 2012. - С. 165-166).

Известно, что переходная характеристика такого четырехполюсника, т.е. его реакция на ступенчатый входной сигнал E, графически представленная изменением напряжения U(t) на конденсаторе, имеет вид экспоненты

где U(t) - мгновенное значение напряжения на конденсаторе с измеряемой емкостью CX; t - время отсчета с момента поступления ступенчатого сигнала; T - постоянная времени: Т=R⋅CX.

Известный способ измерения емкости основан на измерении мгновенного значения напряжения U(t) в соответствующий момент времени t, что позволяет, используя свойства экспоненты, определить постоянную времени T и по ней значение измеряемой емкости

Измерение емкости указанным способом сопряжено с необходимостью стабилизации значений E и R, т.к. их изменение под действием внешних факторов и старения приводит к появлению дополнительной погрешности измерения.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа измерения электрической емкости, направлен на устранение влияния изменения напряжения E источника постоянного тока, сопротивления R резистора в цепи заряда конденсатора с измеряемой емкостью CX на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости.

Технический результат достигается тем, что на измеряемый конденсатор CX через резистор R подают постоянное напряжение E и измеряют время t1 заряда этого конденсатора с момента подачи E до момента достижения на конденсаторе заранее принятого порогового значения U0; затем отключают источник постоянного напряжения E, разряжают конденсатор CX, подключают последовательно с ним образцовый конденсатор емкостью CO, снова подают через тот же резистор R постоянное напряжение E и измеряют время t2 заряда этих конденсаторов до того же порогового значения U0, после чего рассчитывают измеряемую емкость CX по формуле

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого способа измерения емкости. На фиг. 2 - переходные характеристики, показывающие изменение мгновенных значений напряжений U1(t) и U2(t). На фиг. 3 - схема установки для осуществления экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа измерения электрической емкости.

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ опирается на следующие предпосылки.

С помощью ключа K1 (фиг. 1) через резистор R в момент времени t=0 подают постоянное напряжение E на конденсатор CX. Ключ K2 при этом замкнут. Напряжение U1(t) на конденсаторе CX, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2)

с постоянной времени T1=R⋅CX.

Как только U1(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U0, фиксируют момент времени t1. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения E. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью CX и, размыкая ключ K2, присоединяют последовательно с конденсатором CX образцовый конденсатор с известной емкостью CO. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t=0 через резистор R постоянное напряжение E на последовательно соединенные конденсаторы CX и CO.

Напряжение U2(t) на участке цепи из последовательно соединенных конденсаторов CX и CO начинает нарастать по более крутой экспоненте с постоянной времени

:

Как только U2(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U0, фиксируют момент времени t2. Так как моменты времени t1 и t2 фиксируют при достижении мгновенными значениями напряжений U1(t) и U2(t) одного и того же уровня U0, то можно записать:

С учетом (4) и (5) это условие (6) можно записать:

Из (7) следует, что , т.е. t1T2=t2T1 или

Решая (8) относительно неизвестного значения CX, получаем формулу для его расчета (3).

При выводе этой расчетной формулы (3) в выражении (7) в левой и правой части равенства произвели сокращение на E, а в выражении (8) - сокращение на R. Такие математические действия с равенствами (7) и (8) возможны в предположении, что за короткое время, необходимое для проведения измерения t1 и t2, эти параметры, т.е. Е и R, остаются неизменными.

Поэтому значения E и R не вошли в расчетную формулу (3), что устраняет возможность появления дополнительной погрешности в случае изменения этих параметров.

Также в расчетную формулу (3) не вошло и значение U0, определяющее моменты t1 и t2.

Следовательно, предлагаемый способ устраняет влияние изменения напряжения источника питания E, сопротивления R в цепи заряда измеряемой емкости и порогового значения напряжения U0, определяющего моменты фиксации t1 и t2.

Кроме того, если при измерении t1 и t2 имела место мультипликативная составляющая систематической инструментальной погрешности, то она также не повлияет на результат измерения емкости по предлагаемому способу, т.к. войдет сомножителем в числитель и знаменатель расчетной формулы (3).

Если предлагаемый способ будет реализован на базе микроконтроллера, то интервал времени, необходимый для его осуществления, т.е. для измерения t1 и t2 и расчета CX по (3), будет составлять доли секунды, что позволяет рассчитывать на постоянство E, R и U0 в столь короткий интервал.

Необходимо отметить, что последовательность измерения t1 и t2 не влияет на результат расчета по формуле (3). Можно сначала с помощью ключа K2 соединить последовательно CO и CX, подать ключом K1 постоянное напряжение E через резистор R на эти конденсаторы и при достижении U2(t) порогового значения UO зафиксировать t2; отключить E; ключом K3 разрядить конденсаторы CO и CX; ключом K3 отсоединить CO от CX; подать E на CX; при достижении U1(t) порогового значения UO зафиксировать t1 и по формуле (3) определить значение измеряемой емкости CX.

Заранее принятое пороговое значение UO, как и в известном способе, основанном на измерении параметров переходного процесса, должно быть меньше значения E и его обычно выбирают в пределах (0,3-0,7)E.

Значение CO с целью повышения чувствительности предлагаемого способа, исходя из общеизвестных положений метрологии, следует брать соизмеримым с предполагаемым значением измеряемой емкости CX, что обеспечивает измерения как t1, так и t2 в равноточных условиях. Исходя из этого можно рекомендовать CO=(0,1…10)CX.

Измерение интервалов времени t1 и t2 возможно с применением любых известных средств как в цифровом, так и аналоговом исполнении, имеющих порог чувствительности, позволяющий проводить измерение емкости в соответствующих пределах. Чем выше чувствительность, тем меньше значение CX, доступное для измерения предлагаемым способом.

Проверка работоспособности предлагаемого способа проводилась на установке (фиг. 3), в которой измеритель напряжения 1 выполнен на базе аналогового компаратора на операционном усилителе, например, типа К554СА3. В качестве измерителя времени установлен электронный цифровой секундомер 2, например, типа СИ8 ОВЕН, с чувствительностью 10 мс, имеющий два входа: один вход 3 для запуска высоким напряжением; другой вход 4 для остановки счета в случае поступления низкого напряжения (менее 0,8 B для этого секундомера).

Такой порог чувствительности позволяет проводить измерения электрической емкости примерно от 0,5 мкФ и выше в сторону увеличения.

При измерении t1 и t2 при срабатывании ключа К1 (фиг. 3) высокое напряжение от источника E поступает на вход 3 секундомера 2, запуская его в работу. Компаратор 1 включен по схеме инвертора, т.к. опорное напряжение UO подается на неинвертирующий вход компаратора, а измеряемое напряжение U1(t) (или U2(t)) поступает на инвертирующий вход компаратора. До тех пор, пока U1(t)<UO (или U2(t)<0) на выходе компаратора высокое напряжение, что обеспечивает работу секундомера. Как только U1(t) (или U2(t)) станет равным UO, на выходе компаратора напряжение станет низким, что остановит работу секундомера и позволит снять его показания.

Как видно из представленной таблицы изменение UO с 5 B до 7,5 B (опыты №1 и №2), изменение E с 10 B до 20 B (опыты №2 и №3), изменение R с 102 кОм до 152 кОм практически не повлияли на точность измерения, и относительная погрешность измерения электрической емкости с использованием предложенного способа не превысила 2%.

Предлагаемый способ измерения емкости по сравнению с прототипом и другими известными способами обладает следующими преимуществами:

- устраняет влияние дестабилизирующих факторов, таких как изменение напряжения питания, изменение сопротивления в цепи зарядки конденсатора и изменение значения напряжения срабатывания измерителя временных интервалов, на точность измерения;

- доступность технической реализации на базе общедоступных микроконтроллеров, автоматически выполняющих все необходимые операции по измерению емкости.


Способ измерения электрической емкости
Способ измерения электрической емкости
Способ измерения электрической емкости
Способ измерения электрической емкости
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 127.
10.04.2013
№216.012.3537

Пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для зажигания и питания током повышенной частоты газоразрядных осветительных ламп высокого давления. Технический результат - упрощение конструкции и повышение надежности устройства. Пускорегулирующее устройство для газоразрядных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002479166
Дата охранного документа: 10.04.2013
13.01.2017
№217.015.7d8f

Рециркулятор вентилируемого воздуха

Изобретение относится к области санитарной гигиены и предназначено для обеззараживания воздуха в зданиях. Рециркулятор вентилируемого воздуха содержит воздушный фильтр (3), соединенный с впускным отверстием для воздуха, вентилятор (2), камеру (4) с ультрафиолетовыми лампами (5) и датчик...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002600792
Дата охранного документа: 27.10.2016
25.08.2017
№217.015.b69a

Способ повышения иммунобиологического статуса новорожденных поросят

Изобретение относится к области ветеринарии и предназначено для повышения иммунобиологического статуса новорожденных поросят. Способ включает внутримышечное введение «Пирогенала» супоросным свиноматкам в дозе 0,08 мкг/кг массы тела за 60 дней до опроса 5 инъекций каждый день, за 40 дней до...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614733
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.ba51

Ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники. Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо, соединенное посредством вала с мультипликатором, выходной вал которого соединен с обгонной муфтой, соединенной с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором, который...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615564
Дата охранного документа: 05.04.2017
26.08.2017
№217.015.e88e

Способ иммуногистохимического выявления антигенов в препаратах органов продуктивных и непродуктивных животных длительного хранения в фиксаторах

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для иммуногистохимического выявления антигенов в препаратах органов продуктивных и непродуктивных животных длительного хранения в фиксаторах. Для этого проводят обработку поверхности предметного стекла для наклеивания срезов адгезивом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627448
Дата охранного документа: 08.08.2017
29.12.2017
№217.015.f656

Способ лечения хронического простатита у собак

Изобретение относится к ветеринарной медицине, в частности к способу лечения хронического воспаления предстательной железы у собак. Способ лечения хронического простатита у собак включает введение антибактериального препарата, причем антибактериальный препарат вводят один раз в день и в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637632
Дата охранного документа: 05.12.2017
20.01.2018
№218.016.1772

Устройство для заневоливания цилиндрической пружины

Изобретение относится к устройствам для заневоливания цилиндрических пружин и содержит обойму с цилиндрической полостью, две съемные крышки с осевым отверстием, выполненные с возможностью закрепления на обойме, сердечник цилиндрической формы, соосно размещенный в обойме и выполненный с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002635594
Дата охранного документа: 14.11.2017
13.02.2018
№218.016.24e3

Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции синхронного генератора на постоянных магнитах, используемого в системах автономного электроснабжения. Технический результат - удешевление конструкции, увеличение мощности генератора и повышение КПД за счет использования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642442
Дата охранного документа: 25.01.2018
04.04.2018
№218.016.3692

Аналого-цифровой преобразователь

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646356
Дата охранного документа: 02.03.2018
10.05.2018
№218.016.3a83

Способ измерения электрической емкости

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости основан на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647564
Дата охранного документа: 16.03.2018
Показаны записи 1-10 из 13.
13.01.2017
№217.015.7d8f

Рециркулятор вентилируемого воздуха

Изобретение относится к области санитарной гигиены и предназначено для обеззараживания воздуха в зданиях. Рециркулятор вентилируемого воздуха содержит воздушный фильтр (3), соединенный с впускным отверстием для воздуха, вентилятор (2), камеру (4) с ультрафиолетовыми лампами (5) и датчик...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002600792
Дата охранного документа: 27.10.2016
25.08.2017
№217.015.b69a

Способ повышения иммунобиологического статуса новорожденных поросят

Изобретение относится к области ветеринарии и предназначено для повышения иммунобиологического статуса новорожденных поросят. Способ включает внутримышечное введение «Пирогенала» супоросным свиноматкам в дозе 0,08 мкг/кг массы тела за 60 дней до опроса 5 инъекций каждый день, за 40 дней до...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614733
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.ba51

Ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники. Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо, соединенное посредством вала с мультипликатором, выходной вал которого соединен с обгонной муфтой, соединенной с асинхронным генератором с короткозамкнутым ротором, который...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615564
Дата охранного документа: 05.04.2017
26.08.2017
№217.015.e88e

Способ иммуногистохимического выявления антигенов в препаратах органов продуктивных и непродуктивных животных длительного хранения в фиксаторах

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для иммуногистохимического выявления антигенов в препаратах органов продуктивных и непродуктивных животных длительного хранения в фиксаторах. Для этого проводят обработку поверхности предметного стекла для наклеивания срезов адгезивом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002627448
Дата охранного документа: 08.08.2017
29.12.2017
№217.015.f656

Способ лечения хронического простатита у собак

Изобретение относится к ветеринарной медицине, в частности к способу лечения хронического воспаления предстательной железы у собак. Способ лечения хронического простатита у собак включает введение антибактериального препарата, причем антибактериальный препарат вводят один раз в день и в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637632
Дата охранного документа: 05.12.2017
20.01.2018
№218.016.1772

Устройство для заневоливания цилиндрической пружины

Изобретение относится к устройствам для заневоливания цилиндрических пружин и содержит обойму с цилиндрической полостью, две съемные крышки с осевым отверстием, выполненные с возможностью закрепления на обойме, сердечник цилиндрической формы, соосно размещенный в обойме и выполненный с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002635594
Дата охранного документа: 14.11.2017
13.02.2018
№218.016.24e3

Синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции синхронного генератора на постоянных магнитах, используемого в системах автономного электроснабжения. Технический результат - удешевление конструкции, увеличение мощности генератора и повышение КПД за счет использования...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642442
Дата охранного документа: 25.01.2018
04.04.2018
№218.016.3692

Аналого-цифровой преобразователь

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровым преобразователям, и может быть использовано в цифровых системах для измерения и контроля аналоговых величин. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646356
Дата охранного документа: 02.03.2018
10.05.2018
№218.016.3a83

Способ измерения электрической емкости

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения электрической емкости основан на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647564
Дата охранного документа: 16.03.2018
06.07.2018
№218.016.6cd8

Способ измерения электрической емкости

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при разработке приборов, предназначенных для измерения электрической емкости конденсаторов и конденсаторных датчиков различных технологических параметров (уровня, давления, перемещения и т.д.). Способ измерения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002660283
Дата охранного документа: 05.07.2018
+ добавить свой РИД