RU2239200C2 - Permittance precision measurement device - Google Patents

Abstract

FIELD: electric measurement technology; permittance measurements.

SUBSTANCE: proposed device has detector and adjustable-gain noninverting amplifier; in addition device is provided with input band filter and additional filter; input of mentioned band filter is designed for connection to first electrode of permittance under measurement and its output, to input of noninverting amplifier; one output of the latter is connected to detector and other one is designed for connection to second electrode of permittance under measurement; detector output is connected to additional filter one of whose outputs is connected to control input of noninverting amplifier and other one functions as information output.

EFFECT: enhanced sensitivity of measurement circuit.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано в качестве емкостного датчика для измерения неэлектрических величин.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used as a capacitive sensor for measuring non-electrical quantities.

Из уровня техники известно устройство для измерения частотных зависимостей емкости или проводимости с использованием измерительного трансформаторного моста полных проводимостей. К первичной обмотке трансформатора измерительного моста подключен управляемый по частоте генератор, а к выходу упомянутого моста - предварительный усилитель, выход которого соединен со входом первого селективного усилителя и входом амплитудного детектора. Выход последнего соединен со входом второго селективного усилителя. Первый и второй синхронные детекторы соединены с выходами соответствующих селективных усилителей, причем опорный вход одного синхродетектора соединен с выходом управляемого по частоте генератора, а опорный вход другого синхродетектора соединен через удвоитель частоты с выходом второго генератора, который подсоединен к управляющему входу управляемого по частоте генератора. Выходы упомянутых синхродетекторов соединены с соответствующими индикаторами разбаланса измерительного трансформаторного моста (SU №1767446 А1, кл. G 01 R 17/10, 1992 г.).The prior art device for measuring the frequency dependences of capacitance or conductivity using a measuring transformer bridge of full conductivities. A frequency-controlled generator is connected to the primary winding of the transformer of the measuring bridge, and a preliminary amplifier is connected to the output of the bridge, the output of which is connected to the input of the first selective amplifier and the input of the amplitude detector. The output of the latter is connected to the input of the second selective amplifier. The first and second synchronous detectors are connected to the outputs of the respective selective amplifiers, and the reference input of one sync detector is connected to the output of a frequency-controlled generator, and the reference input of another synchrodetector is connected via a frequency doubler to the output of a second generator, which is connected to the control input of a frequency-controlled generator. The outputs of the aforementioned synchrodetectors are connected to the corresponding unbalance indicators of the measuring transformer bridge (SU No. 1767446 A1, class G 01 R 17/10, 1992).

К недостаткам данного известного из уровня техники устройства следует отнести относительно невысокую точность и чувствительность, ввиду наличия в электрической схеме предварительного усилителя, негативно влияющего на метрологические параметры измерительной цепи в целом.The disadvantages of this prior art device include relatively low accuracy and sensitivity, due to the presence of a preliminary amplifier in the circuitry, which negatively affects the metrological parameters of the measuring circuit as a whole.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого устройства для прецизионного измерения электрической емкости, в котором обеспечивалось бы повышение чувствительности измерительной цепи и точности измерения соответствующего параметра (в том числе - неэлектрического) определенной суперпрецизионной метрологической системы, за счет совмещения в патентуемом устройстве цепей обратной связи измерительного генератора и входной избирательной цепи (т.е. цепи входного полосового фильтра).The basis of the claimed invention was the task of creating such a device for precision measurement of electric capacitance, which would provide an increase in the sensitivity of the measuring circuit and the measurement accuracy of the corresponding parameter (including non-electric) of a certain super-precision metrological system, by combining feedback circuits in the patented device a measuring generator and an input selective circuit (i.e., an input bandpass filter circuit).

Поставленная задача достигается посредством того, что в устройстве для прецизионного измерения электрической емкости, включающем усилитель и детектор, согласно изобретению усилитель выполнен неинвертирующим с регулируемым коэффициентом усиления, а устройство дополнительно содержит входной полосовой фильтр и дополнительный фильтр, при этом вход упомянутого полосового фильтра предназначен для соединения с первым электродом измеряемой емкости, выход входного полосового фильтра соединен со входом упомянутого неинвертирующего усилителя, один выход которого соединен с детектором, второй выход неинвертирующего усилителя предназначен для соединения со вторым электродом измеряемой емкости, а выход детектора соединен с дополнительным фильтром, один выход которого соединен с управляющим входом неинвертирующего усилителя, а другой выход функционально является информационным.The task is achieved by the fact that in the device for precision measurement of electric capacitance, including an amplifier and a detector, according to the invention, the amplifier is non-inverting with an adjustable gain, and the device further comprises an input band-pass filter and an additional filter, while the input of the said band-pass filter is designed to connect with the first electrode of the measured capacitance, the output of the input bandpass filter is connected to the input of the aforementioned non-inverting force ator, one output of which is connected to the detector, the second output of the noninverting amplifier is designed to connect to a second electrode of the measured capacitance, and the output of the detector is connected to an additional filter, one outlet of which is connected to the control input of the noninverting amplifier and the other output is operably information.

Оптимально входной полосовой фильтр выполнять на основе кварцевого резонатора.Optimally, the input bandpass filter is based on a quartz resonator.

Заявленное устройство поясняется чертежом, на котором представлена его функциональная схема.The claimed device is illustrated in the drawing, which shows its functional diagram.

Устройство для прецизионного измерения электрической емкости содержит усилитель 1, который выполнен неинвертирующим с регулируемым коэффициентом усиления, детектор 2, входной полосовой фильтр 3 и дополнительный фильтр 4. Вход упомянутого полосового фильтра 3 предназначен для соединения с первым электродом 5 измеряемой электрической емкости 6, выход входного полосового фильтра 3 соединен со входом упомянутого неинвертирующего усилителя 1, один выход которого соединен с детектором 2, второй выход неинвертирующего усилителя 1 предназначен для соединения со вторым электродом 7 измеряемой электрической емкости 6. При этом выход детектора 2 соединен со входом дополнительного фильтра, один выход которого соединен с управляющим входом неинвертирующего усилителя 1, а другой выход функционально является информационным (т.е. связан с информационной системой регистрации изменения величины измеряемого параметра).A device for precision measurement of electric capacitance contains an amplifier 1, which is non-inverting with adjustable gain, a detector 2, an input band-pass filter 3 and an additional filter 4. The input of the said band-pass filter 3 is designed to connect to the first electrode 5 of the measured electric capacitance 6, the output of the input band-pass filter 3 is connected to the input of the aforementioned non-inverting amplifier 1, one output of which is connected to the detector 2, the second output of the non-inverting amplifier 1 is intended To connect the measured capacitance 6 to the second electrode 7. In this case, the output of detector 2 is connected to the input of an additional filter, one output of which is connected to the control input of the non-inverting amplifier 1, and the other output is functionally informational (i.e., connected to the change registration information system value of the measured parameter).

Оптимально входной полосовой фильтр 3 выполнять на основе кварцевого резонатора.Optimally, the input bandpass filter 3 is based on a quartz resonator.

Устройство для прецизионного измерения электрической емкости работает следующим образом. Элементы и функциональные связи устройства (в совокупности функционально являющиеся измерительным генератором) образуют автоколебательную систему, самовозбуждающуюся на резонансной частоте входного полосового фильтра 3. Таким образом рабочая частота всегда совпадает с центральной частотой входного полосового фильтра 3. При этом выходной сигнал неинвертирующего усилителя 1 с регулируемым коэффициентом усиления детектируется детектором 2 и на соответствующем выходе дополнительного фильтра 4 вырабатывается постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде колебаний на выходе неинвертирующего усилителя 1. Это напряжение поступает на второй (управляющий) вход неинвертирующего усилителя 1 и изменяет его коэффициент усиления, стремясь стабилизировать амплитуду выходного напряжения.A device for precision measurement of electrical capacitance works as follows. Elements and functional connections of the device (collectively functionally a measuring generator) form a self-oscillating system that self-excites at the resonant frequency of the input band-pass filter 3. Thus, the operating frequency always coincides with the central frequency of the input band-pass filter 3. In this case, the output signal of the non-inverting amplifier 1 with an adjustable coefficient gain is detected by the detector 2 and a constant voltage is generated at the corresponding output of the additional filter 4, proportional to the amplitude of the oscillations at the output of the non-inverting amplifier 1. This voltage is supplied to the second (control) input of the non-inverting amplifier 1 and changes its gain, trying to stabilize the amplitude of the output voltage.

Условие генерации автоколебаний, в данном случае, записывается в следующем виде:The condition for the generation of self-oscillations, in this case, is written as follows:

К·β=1,K β = 1,

где К - регулируемый коэффициент усиления неинвертирующего усилителя 1;where K is the adjustable gain of the non-inverting amplifier 1;

β - коэффициент затухания сигнала в цепи измеряемая емкость 6 - входной импеданс входного полосового фильтра 3.β is the attenuation coefficient of the signal in the circuit; the measured capacitance 6 is the input impedance of the input bandpass filter 3.

В свою очередь, в рассматриваемом случае регулируемый коэффициент К усиления равен:In turn, in this case, the adjustable gain K is equal to:

К=α/U,K = α / U,

где α - коэффициент преобразования напряжения U детектора 2 в величину коэффициента К усиления неинвертирующего усилителя 1;where α is the coefficient of conversion of the voltage U of the detector 2 to the value of the gain coefficient K of the non-inverting amplifier 1;

U - напряжение детектора 2.U is the voltage of detector 2.

Таким образом, выходное напряжение детектора 2 равно: U=α·βThus, the output voltage of the detector 2 is equal to: U = α · β

Это означает, что выходное напряжение детектора 2 пропорционально величине реактивного сопротивления измеряемой емкости 6 (например, конденсатора), что, в частности, создает дополнительные преимущества при измерении расстояний емкостным методом, т.к. именно величина реактивного сопротивления конденсатора (или измеряемой емкости 6) прямо пропорциональна расстоянию между обкладками этого конденсатора. При этом отпадает необходимость в подстройке частоты вышеупомянутого измерительного генератора при изменении величины измеряемой емкости 6, т.к. система автоматически перестраивается под новое значение резонансной частоты входного полосового фильтра 3, что обеспечивает высокие метрологические характеристики заявленного измерительного устройства.This means that the output voltage of the detector 2 is proportional to the reactance of the measured capacitance 6 (for example, a capacitor), which, in particular, creates additional advantages when measuring distances by the capacitive method, since it is the reactance of the capacitor (or measured capacitance 6) that is directly proportional to the distance between the plates of this capacitor. In this case, there is no need to adjust the frequency of the aforementioned measuring generator when changing the value of the measured capacitance 6, because the system is automatically tuned to the new value of the resonant frequency of the input band-pass filter 3, which ensures high metrological characteristics of the claimed measuring device.

Заявленное изобретение позволяет использовать высокодобротные полосовые или избирательные фильтры, в частности кварцевые резонаторы, что позволяет снизить погрешность измерения электрической емкости.The claimed invention allows the use of high-quality band-pass or selective filters, in particular quartz resonators, which reduces the measurement error of the electric capacitance.

Таким образом, заявленное устройство для прецизионного измерения электрической емкости может быть использовано в различных областях техники, в частности для измерения перемещения контролируемого объекта емкостным методом, что в значительной мере повышает чувствительность и точность измерений.Thus, the claimed device for precision measurement of electric capacitance can be used in various fields of technology, in particular for measuring the movement of a controlled object by the capacitive method, which greatly increases the sensitivity and accuracy of measurements.

Claims (2)

1. Устройство для прецизионного измерения электрической емкости, включающее усилитель и детектор, отличающееся тем, что усилитель выполнен неинвертирующим с регулируемым коэффициентом усиления, а устройство дополнительно содержит входной полосовой фильтр и дополнительный фильтр, при этом вход упомянутого полосового фильтра предназначен для соединения с первым электродом измеряемой емкости, выход входного полосового фильтра соединен со входом упомянутого неинвертирующего усилителя, один выход которого соединен с детектором, второй выход неинвертирующего усилителя предназначен для соединения со вторым электродом измеряемой емкости, а выход детектора соединен с дополнительным фильтром, один выход которого соединен с управляющим входом неинвертирующего усилителя, а другой выход функционально является информационным.1. A device for precision measurement of electric capacitance, including an amplifier and a detector, characterized in that the amplifier is non-inverting with an adjustable gain, and the device further comprises an input band-pass filter and an additional filter, while the input of the said band-pass filter is designed to connect to the first electrode of the measured capacitance, the output of the input bandpass filter is connected to the input of the aforementioned non-inverting amplifier, one output of which is connected to the detector, the second the output of the non-inverting amplifier is designed to be connected to the second electrode of the measured capacitance, and the output of the detector is connected to an additional filter, one output of which is connected to the control input of the non-inverting amplifier, and the other output is functionally informational. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной полосовой фильтр выполнен на основе кварцевого резонатора.2. The device according to claim 1, characterized in that the input bandpass filter is made on the basis of a quartz resonator.