Способ измерения электрической емкости
METHOD OF MEASURING ELECTRIC CAPACITY

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:
X
- способы, использующие резонансные свойства колебательного контура, содержащего катушку индуктивности и конденсатор с измеряемой емкостью C (Полулях К.С. Резонансные методы измерений. - М.: Энергия, 1980. - 120 с.);
X
- способы измерения параметров RC-генератора, содержащего во времязадающей цепи измеряемый конденсатор C (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.
X
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 C 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
X
X
где U(t) - мгновенное значение напряжения на конденсаторе с измеряемой емкостью C; t - время отсчета с момента поступления ступенчатого сигнала; Т - постоянная времени: Т=R⋅C.
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
X
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 C, на результат измерения, т.е. на повышение точности измерения электрической емкости.
X
1
0
X
O
2
0
X
Технический результат достигается тем, что на измеряемый конденсатор C через резистор R подают постоянное напряжение Е и измеряют время t заряда этого конденсатора с момента подачи Е до момента достижения на конденсаторе заранее принятого порогового значения U; затем отключают источник постоянного напряжения Е, разряжают конденсатор C, подключают параллельно ему образцовый конденсатор с известной емкостью C, снова подают через тот же резистор R постоянное напряжение Е и измеряют время t заряда этих конденсаторов до того же значения U, после чего рассчитывают измеряемую емкость C по формуле:
Краткое описание чертежей
1
2
На фиг. 1 изображена принципиальная схема реализации предлагаемого способа измерения емкости. На фиг. 2 - переходные характеристики, показывающие изменение мгновенных значений напряжений U(t) и U(t). На фиг. 3 - схема установки для осуществления экспериментальной проверки работоспособности предлагаемого способа измерения электрической емкости.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ опирается на следующие предпосылки.
X
1
X
С помощью ключа К1 (фиг. 1) через резистор R в момент времени t=0 подают напряжение Е на конденсатор с измеряемой емкостью C. Напряжение U(t) на конденсаторе C, контролируемое измерителем 1, начинает нарастать по экспоненте (фиг. 2):
1
х
с постоянной времени Т=R⋅С.
1
0
1
X
O
X
O
Как только U(t) достигнет заранее принятого порогового значения U, фиксируют момент времени t. Отключают с помощью ключа K1 источник постоянного напряжения Е. С помощью ключа K3 разряжают конденсатор с измеряемой емкостью C и подключают к нему параллельно с помощью ключа K2 образцовый конденсатор с емкостью C. С помощью ключа K1 снова подают в момент времени t=0 напряжение Е на параллельно соединенные конденсаторы C и C.
2
2
X
O
Напряжение U(t) на их обкладках начинает нарастать по более пологой экспоненте (фиг. 2) с постоянной времени Т=R⋅(C+C):
2
0
2
1
2
1
2
0
Как только U(t) достигнет заранее принятого порогового значения U, фиксируют момент времени t. Так как моменты времени t и t фиксируют при достижении мгновенными значениями напряжений U(t) и U(t) одного и того же уровня U, то можно записать:
С учетом (4) и (5) это условие (6) можно записать:
1
2
2
1
Из (7) следует, что , т.е. tT-tT или
X
Решая (8) относительно неизвестного значения C, получаем формулу для его расчета (3).
1
2
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 t и t, 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.
0
1
2
Так же в расчетную формулу (3) не вошло и значение U, определяющее моменты t и t.
0
1
2
Следовательно, предлагаемый способ устраняет влияние изменения напряжения источника питания Е, сопротивления R в цепи заряда измеряемой емкости и порогового значения напряжения U, определяющего моменты фиксации t и t.
1
2
Кроме того, если при измерении t и t 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).
1
2
X
0
Если предлагаемый способ будет реализован на базе микроконтроллера, то интервал времени, необходимый для его осуществления, т.е. для измерения t и t и расчета C по (3), будет составлять доли секунды, что позволяет рассчитывать на постоянство Е, R и U в столь короткий интервал.
1
2
2
O
X
2
0
2
X
O
O
X
X
1
0
1
х
Необходимо отметить, что последовательность измерения t и t не влияет на результат расчета по формуле (3). Можно сначала с помощью ключа K подключить C параллельно к C, подать напряжение Е через резистор R и ключ К1 на эти конденсаторы; при достижении U(t) значения U зафиксировать t; отключить Е; ключом К3 разрядить конденсаторы C и C; отсоединить C от C; подать Е на C; при достижении U(t) значения U зафиксировать t и по формуле (3) определить значение измеряемой емкости С.
0
Заранее принятое пороговое значение U, 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.
O
X
1
2
O
X
Значение C с целью повышения чувствительности предлагаемого способа, исходя из общеизвестных положений метрологии, следует брать соизмеримым с предполагаемым значением измеряемой емкости C, что обеспечивает измерения как t, так и t в равноточных условиях. Исходя из этого, можно рекомендовать C=(0,1…10)C.
1
2
X,
Измерение интервалов времени t и t возможно с применением любых известных средств как в цифровом, так и аналоговом исполнении и имеющем порог чувствительности, позволяющий проводить измерение емкости в соответствующих пределах. Чем выше чувствительность, тем меньше значение C 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 10мс 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.
1
2
0
1
2
1
0
2
1
2
O
При измерении t и t 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 U подается на неинвертирующий вход компаратора, а измеряемое напряжение U(t) (или U(t)) поступает на инвертирующий вход компаратора. До тех пор, пока U(t)<U (или U(t)<0) на выходе компаратора высокое напряжение, что обеспечивает работу секундомера. Как только U(t) (или U(t)) станет равным U, на выходе компаратора напряжение станет низким, что остановит работу секундомера и позволит снять его показания.
0
Как видно из представленной таблицы, изменение U с 5В до 7,5В (опыты №1 и №2), изменение Е с 10В до 20В (опыты №2 и №3), изменения R с 102 кОм до 152 кОм практически не повлияли на точность измерения, относительная погрешность измерения электрической емкости с применением предложенного способа не превысила 1%.
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.