ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ RC-ДВУХПОЛЮСНИКОВ
METER OF PARAMETERS OF RC-DIPOLES

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения параметров RC-двухполюсников и может использоваться при физико-химических исследованиях жидкостей, в системах контроля диэлектрических характеристик веществ и материалов с большим удельным сопротивлением, а также при создании измерительных средств контроля качественных показателей моторных масел.
Известен измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников [Патент RU №2260190 от 06.02.2004], содержащий первый и второй источники образцового напряжения, компаратор, вычислительно-управляющее устройство, измеряемый CG-двухполюсник, два коммутирующих ключа, модулирующий конденсатор, блок управления зарядом-разрядом, электронный коммутатор, делитель частоты, буфер. Измеритель обладает малой инвариантностью измерения по каналам C и G, и, как следствие, ограниченным диапазоном измерения активного сопротивления.
Известно устройство измерения активного сопротивления диссипативных CG-двухполюсников [Патент RU №2461841 от 04.05.2011], содержащее измеряемый CG-двухполюсник, генератор уставки, компаратор, коммутирующий ключ, вычислительно-управляющее устройство, конденсатор, форсирующий резистор, повторитель напряжения, формирователь единичного скачка напряжения, индикатор. Недостатком прототипа является зависимость выходного измерительного сигнала от параметров диэлектрика конденсатора при изменении температуры окружающей среды и ограниченный верхний предел измерения активного сопротивления как следствие продолжительного времени переходного процесса.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, заключающееся в повышении верхнего предела измерения активного сопротивления и расширении интервала рабочих температур.
Техническим результатом является независимость значений измеренных величин от температуры окружающей среды путем введения в структуру устройства схемы термокомпенсации емкости конденсатора, а также повышение информативности путем введения дополнительной схемы измерения активного сопротивления RC-двухполюсника.
Поставленная задача решается тем, что в устройство измерения активного сопротивления диссипативных CG-двухполюсников, содержащее повторитель напряжения, компаратор, инвертирующий вход которого соединен с выходом повторителя напряжения, генератор уставки, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора, формирователь единичного скачка напряжения, индикатор, вычислительно-управляющее устройство, вход которого соединен с выходом компаратора, первый выход - с входом формирователя единичного скачка напряжения, второй - с входом индикатора, конденсатор, введены коммутатор, первый вывод которого соединен с нулевым потенциалом, второй - через конденсатор с выходом формирователя единичного скачка напряжения, пятый - с измеряемым RC-двухполюсником, вход - с третьим выходом вычислительно-управляющего устройства, образцовый резистор, соединенный с четвертым выводом коммутатора, генератор накачки, вход которого соединен с четвертым выходом вычислительно-управляющего устройства, быстродействующий автоматический ключ, вход которого соединен с выходом генератора накачки, выход - с третьим выводом коммутатора и входом повторителя напряжения.
На фиг. приведена структурная схема устройства.
Устройство содержит быстродействующий автоматический ключ (БАК) 1, конденсатор 2, коммутатор 3, образцовый резистор 4, повторитель напряжения 5, измеряемый RC-двухполюсник 6, генератор уставки 7, компаратор 8, формирователь единичного скачка напряжения 9, индикатор 10, вычислительно-управляющее устройство (ВУУ) 11, генератор накачки 12.
Устройство работает следующим образом.
По команде ВУУ 11 коммутатор 3 соединяет конденсатор 2 с образцовым резистором 4 путем замыкания ключей S2 и S3, преобразуя их тем самым в дифференцирующую цепь. БАК 1 и ключ S4 при этом остаются разомкнутыми. Формирователь единичного скачка напряжения 9 по команде ВУУ 11 формирует на входе дифференцирующей цепи, образованной элементами 2-4, высокий уровень напряжения. Одновременно с этим начинается процесс отсчета временного интервала, который реализуется следующим образом. Запускается встроенный в ВУУ 11 таймер-счетчик. Компаратор 8 с выхода повторителя напряжения 5 сравнивает напряжение на выводе 3 коммутатора 3 с напряжением генератора уставки 7, равным 36,8% от напряжения, поданного на конденсатор 2. Как только сравниваемое напряжение оказывается равным напряжению генератора уставки 7, на выходе компаратора 8 формируется высокий уровень напряжения, ВУУ 11 прекращает тактирование таймера-счетчика и вычисляет время по формуле t=N/f, где N - количество пришедших на вход таймера-счетчика импульсов, f - тактовая частота ВУУ 11. Измеренное время t при этом будет равно постоянной времени дифференцирующей цепи 2-4:
<mrow><msub><mrow><mtext>t=τ</mtext></mrow><mtext>s</mtext></msub><msub><mrow><mtext>=CR</mtext></mrow><mtext>s</mtext></msub><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
s
где С - емкость конденсатора 2; R - сопротивление образцового резистора 4.
Коммутатором 3 по команде ВУУ 11 размыкается ключ S2 и вывод конденсатора 2 соединяется с первым выводом коммутатора 3, замкнутым на общий провод. Производится снятие остаточного напряжения с конденсатора 2 путем подачи низкого уровня напряжения на его вход с выхода формирователя единичного скачка напряжения 9 по команде ВУУ 11. При этом оба вывода конденсатора 2 оказываются соединенными с общим проводом, в результате чего происходит его разряд.
По команде ВУУ 11 коммутатором 3 замыкаются ключи S2 и 54, формирователем единичного скачка напряжения 9 на входе цепи, образованной конденсатором 2 и параллельно соединенными образцовым резистором 4 и измеряемым RC-двухполюсником 6, формируется высокий уровень напряжения. Сразу после этого ВУУ 11 начинает процесс отсчета времени.
Напряжение на выходе цепи образованной элементами 2-4-6 описывается формулой:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mfrac><mi>С</mi><mrow><mi>С</mi><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>х</mi></msub></mrow></mfrac><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>С</mi><mo>+</mo><msub><mi>С</mi><mi>х</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
вх
x
х
х
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
где U - значение входного напряжения; C - емкость конденсатора 2; t - время;
, где R - сопротивление измеряемого RC-двухполюсника 6; С - емкость измеряемого RC-двухполюсника 6. Если положить, что C на несколько порядков превышает С, то формула (2) приобретает вид:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mi>t</mi><mrow><mi>R</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
x
то есть участок цепи, образованный конденсатором 2 и параллельно соединенными измеряемым RC-двухполюсником 6 и образцовым резистором 4, преобразуется в дифференцирующую цепь с постоянной времени τ=RC, измерив которую, и зная значение C, можно вычислить измеряемое сопротивление R по формуле:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>τ</mi><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><mi>C</mi><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext></mrow>
В качестве образцового резистора 4 в схеме (фиг.) должен использоваться прецизионный с малым температурным коэффициентом сопротивления. С учетом (1) формула (4) приобретает вид:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>τ</mi><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>s</mi></msub><mo>−</mo><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
x
s
x
s
х
x
х
x
По завершении процесса отсчета времени t=τ ВУУ 11 вычисляет значение R по формуле (5) и сравнивает его со значением R. Если выполняется неравенство R≥R, то коммутатор по команде ВУУ 11 размыкает ключ 52, генератор накачки 12 по команде ВУУ 11 формирует на входе БАК 1 высокий уровень напряжения, в результате чего БАК 1 замыкается и происходит заряд емкости С, зашунтированной образцовым резистором 4 и сопротивлением R. По истечении времени заряда (3…5) мс генератор накачки 12 по команде ВУУ 11 формирует на входе БАК 1 низкий уровень напряжения, в результате чего БАК 1 размыкается и происходит разряд емкости С через образцовый резистор 4 и сопротивление R. Одновременно с началом разряда ВУУ 11 начинает процесс отсчета времени, продолжительность которого составит:
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>x</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>x</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
х
х
x
R
По команде ВУУ 11 коммутатор 3 размыкает ключ S1, генератор накачки 12 формирует на входе БАК 1 высокий уровень напряжения, в результате чего БАК 1 замыкается и происходит заряд емкости С измеряемого C-двухполюсника 6. По истечении времени заряда (3…5) мс генератор накачки 12 по команде ВУУ 11 формирует на входе БАК 1 низкий уровень напряжения, в результате чего БАК 1 размыкается и происходит разряд емкости С через сопротивление R. Одновременно с началом разряда ВУУ 11 начинает процесс отсчета времени, продолжительность которого равна постоянной времени разряда RC-двухполюсника 6:
<mrow><msub><mi>τ</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>x</mi></msub><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Из (1), (5)…(7) находим, что
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>x</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>x</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>x</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>x</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mi>s</mi></msub><mi>τ</mi></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
ВУУ 11 производится вычисление значений сопротивления и емкости измеряемого RC-двухполюсника 6 по формулам (8), (9) и вывод их на индикатор 10.
x
s
x
Если же R≤R, то ВУУ 11 выводит измеренное значение R на индикатор 10.
В качестве БАК 1 можно использовать полупроводниковый диод с малым обратным током.
Блоки 8, 9, 11, 12 (фиг.) реализованы программно в микроконтроллере.
Таким образом, в отличие от существующих приборов, в разработанном измерителе верхнее значение измеряемого сопротивления RC-двухполюсника повышено до 50 МОм. Кроме того, он позволяет измерять в широком рабочем температурном интервале и емкость двухполюсника при шунтирующих измеряемых сопротивлениях (1…50) МОм, а при использовании емкостного первичного измерительного преобразователя - удельное сопротивление диссипативных сред и диэлектрические характеристики объектов с большим удельным сопротивлением. При этом уровень технической реализации достаточно прост и не требует значительных затрат.