Способ измерения электрической емкости

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 С_Х (Полулях К.С. Резонансные методы измерений. - М.: Энергия, 1980. - 120 с.);

- способы измерения параметров RC-генератора, содержащего во времязадающей цепи измеряемый конденсатор С_Х (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 С_Х и активное сопротивление R в цепи его зарядки от источника постоянного тока с напряжением Е (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 Е, графически представленная изменением напряжения U(t) на конденсаторе, имеет вид экспоненты

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

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 Т и по ней значение измеряемой емкости

Измерение емкости указанным способом сопряжено с необходимостью стабилизации значений Е 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 Е источника постоянного тока, сопротивления R резистора в цепи заряда конденсатора с измеряемой емкостью С_Х на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости.

Технический результат достигается тем, что на измеряемый конденсатор С_Х через резистор R подают постоянное напряжение Е и измеряют время t₁ заряда этого конденсатора с момента подачи Е до момента достижения на конденсаторе заранее принятого порогового значения U₀; затем, не меняя значений сопротивления R и постоянного напряжения Е, заменяют измеряемый конденсатор на образцовый конденсатор с известной емкостью С_О, заряжают его, фиксируют время t₂ его зарядки до того же порогового значения U₀ и рассчитывают измеряемую емкость С_Х 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.

Как известно, при подключении RC-четырехполюсника к источнику постоянного тока напряжение на конденсаторе меняется по экспоненте. Так, если с помощью замыкающего ключа К1 (фиг. 1) в момент времени t=0 через резистор R подать постоянное напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью С_Х, то напряжение U₁(t) на нем, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2):

с постоянной времени Т₁=R⋅С_Х.

Как только U₁(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U₀, фиксируют момент времени t₁. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью переключающего ключа К2 отключают измеряемый конденсатор С_Х и замещают его образцовым конденсатором с известной емкостью С_О. С помощью ключа К1 снова подают в момент времени t=0 через резистор R постоянное напряжение Е на конденсатор С_О.

Напряжение U₂(t) на конденсаторе С_О начинает нарастать по экспоненте с постоянной времени Т₂=RC_O (фиг. 2):

Как только U₂(t) достигнет заранее принятое пороговое значение U₀, фиксируют момент времени t₂. В общем случае t₁≠t₂. Если, например, С_О>С_Х, то t₂>t₁ (как показано на фиг. 2). 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 С_Х, получаем формулу для его расчета (3).

При выводе этой расчетной формулы (3) в выражении (7) в левой и правой части равенства произвели сокращение на Е, 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 Е и R не вошли в расчетную формулу (3), что устраняет возможность появления дополнительной погрешности в случае изменения этих параметров.

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

Следовательно, предлагаемый способ устраняет влияние изменения напряжения источника питания Е, 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).

Кроме того, если значения С_Х и С_О соизмеримы и, соответственно, соизмеримы значения t₁ и t₂, то практически исчезнет влияние и аддитивной составляющей систематической погрешности, т.к. она войдет в числитель и знаменатель расчетной формулы (3) с одним и тем же знаком.

Если предлагаемый способ будет реализован на базе микроконтроллера, то интервал времени, необходимый для его осуществления, т.е. для измерения t₁ и t₂ и расчета С_Х по (3), будет составлять доли секунды, что позволяет рассчитывать на постоянство Е, 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 К2 соединить с резистором R конденсатор Со, подать ключом К1 постоянное напряжение Е через резистор R на этот конденсатор и при достижении U₂(t) порогового значения U₀ зафиксировать t₂; отключит Е; ключом К2 отсоединить С_О и подключить С_Х; подать Е на С_Х; при достижении U₁(t) порогового значения U₀ зафиксировать t₁ и по формуле (3) определить значение измеряемой емкости С_Х.

Заранее принятое пороговое значение U₀, как и в известном способе, основанном на измерении параметров переходного процесса, должно быть меньше значения Е, и его обычно выбирают в пределах (0,3-0,7)Е.

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

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 С_Х, 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 и имеющий два входа: один вход 3 для запуска высоким напряжением; другой вход 4 для остановки счета в случае поступления низкого напряжения (менее 0,8 В 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 Е поступает на вход 3 секундомера 2, запуская его в работу. Компаратор 1 включен по схеме инвертора, т.к. опорное напряжение U₀ подается на неинвертирующий вход компаратора, а измеряемое напряжение U₁(t) (или U₂(t)) поступает на инвертирующий вход компаратора. До тех пор пока U₁(t)<U₀ (или U₂(t)<0), на выходе компаратора высокое напряжение, что обеспечивает работу секундомера. Как только U₁(t) (или U₂(t)) станет равным U₀, на выходе компаратора напряжение станет низким, что остановит работу секундомера и позволит снять его показания.

Как видно из представленной таблицы, изменение U₀ с 5 до 7,5 В (опыты №1 и №2), изменение Е с 10 до 20 В (опыты №2 и №3), изменение R с 102 до 152 кОм практически не повлияли на точность измерения, и относительная погрешность измерения электрической емкости с применением 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.