Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для измерения малых токов инжектированных зарядов в конденсированных средах

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения малых токов ~10^-15 А и регистрации их изменения во времени, а также запись результатов измерения на электронный носитель.

Из уровня техники известны устройства измерения малых токов, в которых используется принцип преобразования тока в напряжение, причем преобразователь выполнен на прецизионном операционном усилители [1].

Недостатком подобных устройств является то, что для получения широкого диапазона измерения требуется сложная система коммутации входных цепей и цепей обратной связи, что приводит к снижению отношения сигнал/ шум, и точности измерения.

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является техническое решение по совместному использованию преобразователя ток-напряжение, и аналого-цифрового преобразователя, принятое за прототип, где выходной сигнал преобразователя тока в напряжение подается на вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого через шину SPI передает данные на внешние цифровые устройства [2].

Недостатками указанного устройства являются проникновение электромагнитных наводок от цифровых блоков по воздуху и цепям питания в аналоговые части схемы, отсутствие возможности учета наведенных токов в коаксиальном кабеле, что приводит к снижению отношения сигнал/ шум, и точности измерения.

Технический результат заявленного технического решения заключается в увеличении точности измерения за счет уменьшении проникновения электромагнитных наводок от цифровых блоков по воздуху и цепям питания в аналоговые части схемы, и учета наведенных токов в коаксиальном кабеле.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения малых токов инжектированных зарядов в конденсированных средах содержит преобразователь ток-напряжение, аналого-цифровой преобразователь, персональную электронно-вычислительную машину для цифровой обработки сигнала, а также вывода результатов измерения на устройства индикации и сохранение на электронном носители, при этом преобразователь ток-напряжение выполнен в виде отдельного блока, выход которого соединяется с дифференциальным входом аналого-цифрового преобразователя через экранированную витую пару, питаемого от источника двухполярного напряжения, получаемого от аккумулятора, причем источник двухполярного напряжения выполнен в виде DC-DC конвертера с низким уровнем пульсаций и высокой симметрией напряжений, который питается от аккумуляторной батареи, согласно изобретению устройство также снабжено электронно-вычислительной машиной, которая через USB шину управляет программируемым источником питания, напряжение с которого подается на ячейку с исследуемой средой, что позволяет в отсутствие напряжения на ячейке произвести измерения наведенных токов в коаксиальном кабеле, и учесть их при программной обработке результатов измерения.

Перед измерением происходит калибровка, которая осуществляется следующем образом, электронно-вычислительная машина через USB шину устанавливает на выходе программируемого источника питания напряжение на ячейке равным нулю. Таким образом на вход преобразователя ток-напряжение (1), поступает только наведенный ток в коаксиальном кабеле, который записывается в память, в течение несколько минут. Анализ измеренных значений наведенных токов в коаксиальном кабеле позволяет в дальнейшем учесть их при программной обработке результатов измерения.

Устройство для измерения малых токов инжектированных зарядов в конденсированных средах содержит преобразователь ток-напряжение (1), аналого-цифровой преобразователь (2), персональную электронно-вычислительную машину (PC) (3) для цифровой обработки сигнала, а также вывода результатов измерения на устройства индикации и сохранение на электронном носителе. От ячейки с исследуемой средой (5) измеряемый ток передается через коаксиальный кабель на вход преобразователя ток-напряжение, который выполнен на прецизионном операционном усилителе с малым входным током смещения, на выходе которого установлен RC-фильтр нижних частот. В этом устройстве преобразователь ток - напряжение выполнен в виде отдельного блока, питаемого от источника двухполярного напряжения, получаемого от аккумулятора. Выходной сигнал преобразователя тока - напряжение подан через экранированную витую пару на дифференциальный вход аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен к PCI шине персональной электронно-вычислительной машины, которая через USB шину управляет программируемым источником питания (4), который подает напряжение на ячейку с исследуемой средой (5). Устройство представлено на фиг. 1.

Устройство для измерения малых токов инжектированных зарядов в конденсированных средах работает следующим образом.

Измеряемый ток через коаксиальный кабель подается на вход преобразователя ток - напряжение (1), полученный сигнал напряжения через экранированную витую пару поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (2), данные передаются на PCI шину электронно-вычислительной машины (3) и записываются в память.

1. Хоровиц П., Хилл У. "Искусство схемотехники": Т.1 Пер. с англ., М.: Мир, 1993, стр. 93, рис. 2.38.

2. Ресурс интернет https://www.analog.com/en/design-center/reference-designs/circuits-from-the-lab/cn0407.html#rd-overview.