СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING CAPACITANCE

Изобретение относится к области измерения электрических величин, а именно к измерению электрической емкости емкостных датчиков - давления, влажности, положения и других датчиков, у которых электрическая емкость является выходной характеристикой измеряемого физического параметра.
Известно устройство измерения электрической емкости [1], которое содержит два одновибратора, включенные по схеме кольцевого автогенератора, содержащие времязадающие RC-цепи с измеряемым и эталонным конденсатором, блок индикации с интегрирующим звеном на входе, сумматор, источник опорного напряжения и два перекидных ключа, входы которых соединены с выходами одновибраторов, а выходы - с входами интегрирующего звена. Устройство преобразует соотношение емкостей эталонного и измеряемого конденсаторов в выходное напряжение. Данное устройство не обеспечивает высокую точность измерения емкости.
Известно устройство и способ для измерения импеданса конденсатора [2]. Устройство содержит генератор синусоидального сигнала и два канала измерения импеданса эталонного резистора и измеряемого конденсатора. Каждый канал измерения импеданса содержит усилитель и АЦП. Выборки АЦП каждого канала фильтруются и подаются на ВУ, который вычисляет величину измеряемой емкости путем вычисления разности фазы между напряжением на эталонном резисторе и измеряемом конденсаторе на основании полученных цифровых выборок от АЦП. Недостатками устройства и способа являются сложная электрическая схема, которая состоит из многих компонент, а также сложный алгоритм вычисления емкости, требующий ВУ высокой производительности и разрядности.
Известно устройство измерения давления с емкостным датчиком в цепи обратной связи усилителя [3]. В устройстве использован вариант измерения электрической емкости на основе зарядового усилителя, в котором соотношение измеряемой емкости сенсора и опорной емкости преобразуется в сигнал напряжения. Недостатками устройства являются аналоговый способ формирования выходного сигнала, что усложняет линеаризацию, температурную компенсацию и калибровку датчика.
Известен способ и устройство измерения емкости на основе сигма-дельта модулятора [4]. Данный способ пригоден для измерения только малых емкостей, а устройство для его осуществления требует использования специализированных микросхем.
Известен способ измерения емкости [5], когда заряд конденсатора осуществляют от источника постоянного тока до определенного напряжения. Тогда время заряда определяет измеряемую емкость. Недостатками аналога являются необходимость использования прецизионного источника малого тока и большое время измерения, необходимое для заряда измеряемого конденсатора до заданного напряжения.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявленному техническому решению является способ и устройство измерения емкости [6], выбранный в качестве прототипа.
В выбранном прототипе способ измерения емкости включает в себя предварительный разряд измеряемой емкости, ее заряд от источника постоянного тока, обеспечивающий линейное изменение напряжения на измеряемой емкости, измерение разности напряжений и времени между двумя измерениями напряжения на линейном участке изменения напряжения на измеряемой емкости, вычисление значения емкости как произведения заданного тока заряда на разницу времени между двумя измерениями напряжения, деленного на разность измеренных напряжений.
Способ имеет следующие недостатки:
а) нелинейную зависимость выходного напряжения от измеряемой емкости;
б) большое время измерения, которое определяется суммой времен заряда емкости, измерения напряжения на емкости и ее разряда.
В выбранном прототипе устройство измерения емкости содержит входы подключения измеряемой емкости с цепями заряда и разряда в виде ключей, соединяющих измеряемую емкость с источником тока и землей, АЦП, соединенный со входом измеряемой емкости, микропроцессор, соединенный с АЦП, источник тока, соединенный со входами измеряемой емкости через цепь заряда, источник опорного напряжения АЦП. АЦП соединен со входом измеряемой емкости по входу измеряемого напряжения, а по входу опорного напряжения соединен с источником опорного напряжения. Управляющие выходы микропроцессора соединены с ключами цепей заряда и разряда измеряемой емкости.
Помимо вышеуказанных недостатков, устройство имеет следующие недостатки:
а) необходимость использования прецизионных источников тока и опорного напряжения;
б) наличие погрешности измерения емкости от изменения температуры и напряжения питания.
Задачей изобретения является измерение электрической емкости в широком диапазоне значений емкости с линейной шкалой, низкой погрешностью во всем диапазоне рабочих температур и напряжений питания, высоким быстродействием, а также упрощение электрической схемы устройства.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе измерения электрической емкости, заключающемся в том, что измеряемую емкость разряжают через цепь разряда, заряжают через цепь заряда и проводят измерение напряжения заряда емкости, согласно изобретению дополнительно проводят измерение напряжения заряда на эталонной емкости, включенной последовательно с измеряемой емкостью, эталонную и измеряемую емкости разряжают путем их коммутации на землю, а заряжают постоянным напряжением, емкость измеряют по отношению напряжений заряда на эталонной и измеряемой емкостях с помощью АЦП, на дифференциальный измерительный вход которого подают напряжение с эталонной емкости, а на вход опорного напряжения подают напряжение с измеряемой емкости.
В устройстве для осуществления предложенного способа измерения электрической емкости, содержащем входы подключения измеряемой емкости, цепи заряда и разряда емкости, АЦП, соединенный со входом измеряемой емкости, микропроцессор, соединенный с выходом АЦП и цепями заряда и разряда емкости, согласно изобретению последовательно со входами измеряемой емкости дополнительно установлена эталонная емкость, соединенная цепью заряда с выводом выходного порта микропроцессора, точка соединения эталонной и входа измеряемой емкости соединена цепью разряда с выводом порта входа-выхода микропроцессора, дифференциальный измерительный вход АЦП соединен с эталонной емкостью, а вход опорного напряжения АЦП - с измеряемой емкостью.
Между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно линейность измерения емкости обеспечиваются за счет измерения отношения напряжений на эталонной и измеряемой емкостях, низкая погрешность измерения емкости в широком диапазоне значений рабочих температур и питающих напряжений обеспечиваются за счет того, что температурная погрешность измерений определяется только ТКС эталонной емкости и характеристиками АЦП, а от колебаний питающего напряжения измерения вообще не зависят, время измерения определяется только быстродействием АЦП, точность измерения определяется разрядностью АЦП, простая схемотехническая реализация устройства обеспечивается за счет того, что схема построена без использования прецизионных источников тока и опорного напряжения.
Техническая сущность предложенного решения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема способа измерения емкости, на фиг. 2 - схема устройства.
Предлагаемый способ измерения емкости поясняется схемой на фиг. 1, которая содержит входы подключения измеряемой емкости 1.1 и 1.2 и последовательно соединенную эталонную емкость 2. Имеются также цепь заряда с ключом 3, подающим напряжение заряда на емкости, и цепь разряда с ключами 4, 5, коммутирующие выводы емкостей на землю схемы. На схеме Uэт, Ux, U - напряжения соответственно на эталонной емкости, измеряемой емкости и напряжение заряда емкостей.
Измерение емкости выполняют в следующей последовательности:
а) разряжают емкости, подготавливая цикл измерения, при этом ключ 3 разомкнут, ключи 4, 5 - замкнуты на землю;
б) заряжают емкости напряжением U, при этом ключ 3 замкнут, ключи 4, 5 - разомкнуты;
в) измеряют соотношение напряжений Uэт и Ux на эталонной и измеряемой емкостях.
При заряде последовательно соединенных емкостей от приложенного напряжения U в соответствии с законом электростатической индукции заряды q на их обкладках будут равны. Распределение заряда произойдет таким образом, что отрицательная обкладка первой емкости получит заряд -q, а положительная обкладка второй получит заряд +q.
Из формулы для емкости
следует, что напряжение на каждой из емкостей, включенных последовательно, зависит от их емкости и полученного заряда:
Тогда соотношение напряжений на эталонной и измеряемой емкости позволяет вычислить значение измеряемой емкости по формуле
Соотношение напряжений на эталонной и измеряемой емкостях измеряется с помощью АЦП (на фиг. 1 не показан), дифференциальный измерительный вход которого соединен с эталонной емкостью, вход опорного напряжения - с измеряемой емкостью. При этом эталонная емкость Сэт выбирается больше измеряемой емкости Сх.
В этом случае код АЦП будет равен
где N - разрядность АЦП.
Значение измеряемой емкости определяется по формуле
Схема устройства для осуществления предлагаемого способа приведена на фиг. 2, которая содержит входы подключения измеряемой емкости 1.1 и 1.2, эталонную емкость 2, АЦП 6 и микропроцессор 7, соединенный по входу с АЦП 6, вывод выходного порта заряда микропроцессора 7 соединен с цепью заряда емкостей, вывод порта входа-выхода разряда микропроцессора 7 соединен с цепью разряда измеряемой емкости Сх и эталонной емкости. Выводы эталонной емкости 2 соединены с дифференциальным измерительным входом АЦП 6, вывод входа измеряемой емкости 1.1 - со входом опорного напряжения (Uоп) АЦП 6.
Работает устройство следующим образом. При разряде измеряемой емкости Сх и эталонной емкости 2 на выходах портов цепей заряда и разряда микропроцессора 7 устанавливают низкий уровень напряжения. При измерении выход порта цепи разряда микропроцессора 7 устанавливают в состояние входа, а на выходе цепи заряда устанавливают высокий уровень напряжения U, при котором измеряют отношение напряжений Uэт, Ux на измеряемой емкости Сх и эталонной емкости Сэт 2 с помощью АЦП 6, после чего микропроцессор 4 считывает данные с АЦП 3.
Техническо-экономической эффективностью изобретения является измерение емкости датчиков в широком диапазоне значений емкостей с высокой точностью, быстродействием, линейностью и стабильностью, а также простая схемотехническая реализация устройства.
Источники информации
1. Патент РФ 2308727.
2. Патент США 8452557.
3. Патент РФ 2319124.
4. Патент США 7683641.
5. Авторское свидетельство СССР №112262.
6. Патент США 6275047 - прототип.