RU2536333C1 - Tester with storage of dissipative cg two-terminal networks - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology.

SUBSTANCE: device contains the first and second sources of reference voltage, electronic switch, measured CG two-terminal network. The novice is in the use for measuring of parameters of CG two-terminal networks of the electronic key, integrator, variable resistor R, operational amplifier, inverting Schmitt trigger, time interval measurement device and voltage measurement device.

EFFECT: higher sensitivity to small capacities of the transducer at low frequencies.

3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров диссипативных CG-двухполюсников - эквивалентов емкостных измерительных преобразователей. Оно может быть использовано в информационно-измерительных и управляющих системах диэлькометрического контроля диссипативных веществ и сред.The invention relates to measuring equipment and is intended to measure the parameters of dissipative CG two-terminal devices - equivalents of capacitive measuring transducers. It can be used in information-measuring and control systems of dielcometric control of dissipative substances and media.

Известно устройство для прецизионного измерения электрической емкости [1], элементы и функциональные связи которого образуют автоколебательную систему, самовозбуждающуюся на резонансной частоте входного кварцевого полосового фильтра, одним из элементов которого является измеряемый конденсатор. При этом напряжение на выходе устройства пропорционально величине реактивного сопротивления измеряемой емкости.A device is known for precision measurement of electric capacitance [1], the elements and functional relationships of which form a self-oscillating system, self-excited at the resonant frequency of the input quartz bandpass filter, one of the elements of which is a measured capacitor. In this case, the voltage at the output of the device is proportional to the reactance of the measured capacitance.

К недостаткам данного изобретения можно отнести сравнительно узкий частотный диапазон и сложность перестройки по частоте.The disadvantages of this invention include a relatively narrow frequency range and the complexity of the tuning frequency.

Наиболее близким к заявленному решению может быть отнесен релаксационный измеритель параметров CG-двухполюсников [2], содержащий первый и второй источники образцового напряжения, подключенные к входам электронного коммутатора, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора, на инвертирующий вход которого подключен измеряемый CG-двухполюсник, модулирующий конденсатор, блок управления зарядом-разрядом, причем выход компаратора соединен с управляющим входом электронного коммутатора и входом блока управления зарядом-разрядом, а через буфер - с входами блока анализа и делителя частоты.Closest to the claimed solution can be attributed a relaxation parameter meter of CG double-pole [2], containing the first and second reference voltage sources connected to the inputs of the electronic switch, the output of which is connected to a non-inverting input of the comparator, to the inverting input of which is connected the measured CG double-terminal, a modulating capacitor, a charge-discharge control unit, the comparator output being connected to a control input of an electronic switch and an input of a charge-discharge control unit ohm, and via a buffer - the inputs of the analysis unit and the frequency divider.

К недостаткам такого устройства можно отнести спад чувствительности к измеряемой емкости на низких частотах, что ограничивает частотный диапазон применения устройства величинами порядка единиц-десятков килогерц.The disadvantages of such a device include a decrease in sensitivity to the measured capacitance at low frequencies, which limits the frequency range of the device to values of the order of several tens of kilohertz.

Цель изобретения - повышение чувствительности к малым емкостям измерительного преобразователя на низких частотах.The purpose of the invention is to increase the sensitivity to low capacitances of the measuring transducer at low frequencies.

Поставленная цель достигается тем, что в измеритель параметров CG-двухполюсников, содержащий первый и второй источники образцового напряжения, электронный коммутатор, второй вход которого подключен ко второму источнику образцового напряжения, измеряемый CG- двухполюсник, введены электронный ключ, соединяющий первый источник образцового напряжения с первым входом электронного коммутатора и первым входом измерителя интервала времени, интегратор, соединяющий выход электронного коммутатора с неинвертирующим входом операционного усилителя и вторым входом измерителя напряжения, переменный резистор R, соединенный одним концом с инвертирующим входом операционного усилителя и измеряемым CG-двухполюсником, а другим с выходом операционного усилителя, входом инвертирующего триггера Шмидта и первым входом измерителя напряжения, операционный усилитель, инвертирующий триггер Шмидта, измеритель временных интервалов, второй вход которого соединен с выходом инвертирующего триггера Шмидта и управляющим входом электронного коммутатора, а третий - с управляющим входом электронного ключа, измеритель напряжения.This goal is achieved by the fact that in the parameter meter CG-two-terminal, containing the first and second sources of reference voltage, an electronic switch, the second input of which is connected to the second source of reference voltage, the measured CG-two-terminal, introduced an electronic key that connects the first source of reference voltage to the first the input of the electronic switch and the first input of the time interval meter, an integrator connecting the output of the electronic switch with a non-inverting input of the operational amplifier For the second input of the voltage meter, a variable resistor R connected at one end to the inverting input of the operational amplifier and the measured CG two-terminal device, and the other to the output of the operational amplifier, the input of the inverting Schmidt trigger and the first input of the voltage meter, the operational amplifier, the inverting Schmidt trigger, the meter time intervals, the second input of which is connected to the output of the inverting Schmidt trigger and the control input of the electronic switch, and the third - with the control input of the electronic About the key, voltage meter.

На фигуре 1 приведена структурная схема устройства, на фигурах 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его принцип действия.The figure 1 shows the structural diagram of the device, in figures 2 and 3 are time diagrams explaining its principle of operation.

Устройство содержит источники образцового напряжения 1 и 2, электронный ключ 3, электронный коммутатор 4, измеряемый CG-двухполюсник 5, состоящий из проводимости 7 и емкости 8, интегратор 6, операционный усилитель 9, переменный резистор 10, инвертирующий триггер Шмидта 11, измеритель временного интервала 12, измеритель напряжения 13.The device contains sources of exemplary voltage 1 and 2, an electronic switch 3, an electronic switch 4, a measured CG two-terminal 5, consisting of conductivity 7 and a capacitor 8, an integrator 6, an operational amplifier 9, a variable resistor 10, an inverting Schmidt trigger 11, a time interval meter 12, voltage meter 13.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Напряжение источника образцового напряжения 1 соответствует уровню логической единицы. Источник образцового напряжения 2 вырабатывает напряжение, равное по модулю напряжению источника образцового напряжения 1, но противоположное по знаку. По сигналу от измерителя временного интервала 12 замыкается электронный ключ S1, и напряжение источника образцового напряжения 1 (U1, фигура 2) подается на первый вход измерителя временного интервала 12, запуская в нем по входу 2 следующие процессы:The voltage of the reference voltage source 1 corresponds to the level of a logical unit. The reference voltage source 2 generates a voltage equal in magnitude to the voltage of the reference voltage source 1, but opposite in sign. The signal from the time interval meter 12 closes the electronic switch S1, and the voltage of the reference voltage source 1 (U1, figure 2) is supplied to the first input of the time interval meter 12, starting the following processes at the input 2 of it:

а) однократное измерение периода сигнала (U2, фигура 2);a) a single measurement of the signal period (U2, figure 2);

б) подсчет числа периодов сигнала (U2, фигура 2);b) counting the number of periods of the signal (U2, figure 2);

в) измерение длительности N периодов сигнала (U2, фигура 2).c) measuring the duration of the N periods of the signal (U2, figure 2).

Одновременно, через электронный коммутатор 4, напряжение U1 прикладывается к входу интегратора 6, запуская процесс формирования положительного полупериода измерительного сигнала. Напряжение на выходе интегратора 6 линейно нарастает, формируя фронт треугольного импульса (U4, фигура 2). Контроль над его уровнем обеспечивается по входу 2 измерителя напряжения 13. Кроме того, напряжение с выхода интегратора 6 прикладывается к неинвертирующему входу операционного усилителя 9. Операционный усилитель 9 охвачен цепью отрицательной обратной связи, включающей переменный резистор 10 и измеряемый CG-двухполюсник 5. Передаточная функция такой цепиAt the same time, through the electronic switch 4, the voltage U1 is applied to the input of the integrator 6, starting the process of forming a positive half-period of the measuring signal. The voltage at the output of the integrator 6 increases linearly, forming the front of a triangular pulse (U4, figure 2). Control over its level is provided at input 2 of voltage meter 13. In addition, the voltage from the output of integrator 6 is applied to the non-inverting input of operational amplifier 9. Operational amplifier 9 is covered by a negative feedback circuit including a variable resistor 10 and a measured CG two-terminal 5. Transfer function such a chain

$$K\left(j\omega \right)=\frac{1}{1+R\cdot G_X+j\cdot \omega \cdot C_X\cdot R},(1)$$

$$K\left(j\omega \right)=\frac{\mathrm{one}}{\mathrm{one}+R\cdot G_X+j\cdot \omega \cdot C_X\cdot R},(\mathrm{one})$$

где ω - круговая частота; R - сопротивление переменного резистора 10.where ω is the circular frequency; R is the resistance of the variable resistor 10.

На низких частотах при значениях емкости 8 (C_X) порядка сотен пикофарад выполняется неравенство j·ω·C_X·R<<R·G_X. Поэтому сигнал, поступающий с выхода операционного усилителя 9 на первый вход измерителя напряжения 13, изменяется по амплитуде пропорционально проводимости 7 измеряемого CG-двухполюсника 5 в соответствии с выражениемAt low frequencies, with capacitance values of 8 (C _X ) of the order of hundreds of picofarads, the inequality j · ω · C _X · R << R · G _X holds. Therefore, the signal from the output of the operational amplifier 9 to the first input of the voltage meter 13 varies in amplitude in proportion to the conductivity 7 of the measured CG two-terminal 5 in accordance with the expression

$$U3=U4/K,\left(2\right)$$

$$U3=U\mathrm{four}/K,\left(2\right)$$

где $$K=\frac{1}{1+R\cdot G_X}$$

.Where $$K=\frac{\mathrm{one}}{\mathrm{one}+R\cdot G_X}$$

.

Этот сигнал поступает также на вход инвертирующего триггера Шмидта 11 с фазовым сдвигом (фигура 3), зависящим от емкости 8 измеряемого CG-двухполюсника 5This signal is also fed to the input of an inverting Schmidt trigger 11 with a phase shift (figure 3), depending on the capacitance 8 of the measured CG two-terminal 5

$$\phi (\omega )=-arctg\frac{\omega \cdot C_X}{\frac{1}{R}+G_X}.(3)$$

$$\phi (\omega )=-arctg\frac{\omega \cdot C_X}{\frac{\mathrm{one}}{R}+G_X}.(3)$$

По достижении верхнего порогового значения триггер Шмидта 11 переключается, завершая формирование положительного полупериода измерительного сигнала (U2, фигура 2). С выхода триггера Шмидта 11 сигнал поступает на второй вход измерителя временного интервала 12.Upon reaching the upper threshold value, the Schmidt trigger 11 switches, completing the formation of a positive half-period of the measuring signal (U2, figure 2). From the output of the Schmidt trigger 11, the signal is fed to the second input of the time interval meter 12.

Для запуска процесса формирования отрицательного полупериода измерительного сигнала напряжение с выхода инвертирующего триггера Шмидта 11 подается на электронный коммутатор 4, подключая к входу интегратора 6 источник 2. При воздействии на вход интегратора 6 отрицательного напряжения на его выходе формируется срез треугольного импульса (U3, фигура 2). Это линейно снижающееся напряжение, проходя через операционный усилитель 9, охваченный петлей обратной связи из переменного резистора 10 и измеряемого CG- двухполюсника 5, изменяется по амплитуде в K раз (выражение 2) и имеет сдвиг фазы, описываемый выражением (3) (U3, фигура 2). С выхода операционного усилителя 9 сигнал вновь подается на измеритель напряжения 13 и инвертирующий триггер Шмидта 11. При достижении нижнего порога переключения на выходе инвертирующего триггера Шмидта 11 формируется высокий уровень напряжения U2. Этим сигналом переключается электронный коммутатор 4 и завершается формирование отрицательного полупериода измерительного сигнала. Описанный процесс формирования измерительного сигнала повторяется вновь. К моменту окончания N-го периода измерительного сигнала измеритель временного интервала 12 выдает сигнал на размыкание электронного ключа 3.To start the process of generating a negative half-period of the measuring signal, the voltage from the output of the Schmidt inverting trigger 11 is supplied to the electronic switch 4, connecting the source 2 to the input of the integrator 6. When a negative voltage is applied to the input of the integrator 6, a slice of a triangular pulse is formed at its output (U3, figure 2) . This linearly decreasing voltage passing through the operational amplifier 9, covered by a feedback loop from the variable resistor 10 and the measured CG two-terminal 5, changes in amplitude by a factor of K (expression 2) and has a phase shift described by expression (3) (U3, figure 2). From the output of the operational amplifier 9, the signal is again fed to the voltage meter 13 and the Schmidt inverting trigger 11. Upon reaching the lower switching threshold, a high voltage level U2 is formed at the output of the Schmidt inverting trigger 11. This signal switches the electronic switch 4 and completes the formation of a negative half-period of the measuring signal. The described process of generating the measuring signal is repeated again. By the end of the N-th period of the measuring signal, the time interval meter 12 generates a signal to open the electronic key 3.

Таким образом, измеряемый CG-двухполюсник 5 находится под воздействием сигнала негармонического, но наиболее близкого к синусоидальному - пилообразного (напряжение U3, фигура 2). Спектр такого сигнала ограничен всего тремя-пятью гармониками, что весьма важно, поскольку устройство предназначено для определения диэлектрических величин в выбранном спектре частот.Thus, the measured CG diode 5 is under the influence of a nonharmonic, but closest to sinusoidal, sawtooth signal (voltage U3, figure 2). The spectrum of such a signal is limited to only three to five harmonics, which is very important, since the device is designed to determine the dielectric values in the selected frequency spectrum.

Измерение емкости и проводимости производится косвенно. Из выражения (2) можно получить значение проводимости 7:Capacitance and conductivity are measured indirectly. From the expression (2), we can obtain the value of conductivity 7:

$$G_X=\frac{1}{R}\cdot \left(\frac{U3}{U4}-1\right).(4)$$

$$G_X=\frac{\mathrm{one}}{R}\cdot \left(\frac{U3}{U\mathrm{four}}-\mathrm{one}\right).(\mathrm{four})$$

Тогда определение G_X сводится к следующему алгоритму:Then the definition of G _X reduces to the following algorithm:

1) в ходе измерений подбором сопротивления R переменного резистора 10 обеспечить отношение U3/U4=2;1) during the measurements by selecting the resistance R of the variable resistor 10, ensure the ratio U3 / U4 = 2;

2) определить значение R;2) determine the value of R;

3) рассчитать проводимость G_X.3) calculate the conductivity G _X.

Значение емкости 8 вычисляется из результата измерения угла сдвига фазы при прохождении сигнала с периодом T через измеряемый двухполюсник. Из выражения (3) можно получитьThe value of capacitance 8 is calculated from the result of measuring the phase angle when the signal passes with a period T through the measured two-terminal network. From expression (3) we can obtain

$$C_X=tg\varphi \cdot \frac{\frac{1}{R}+G_X}{2\cdot \pi }\cdot T,(5)$$

$$C_X=tg\varphi \cdot \frac{\frac{\mathrm{one}}{R}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="G\; X"\; filenames="00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">G\; </figure-callout>}}_X}{2\cdot \pi }\cdot T,(5)$$

где $$\varphi =\frac{\tau }{T}\cdot 360.(6)$$

Where $$\varphi =\frac{\tau }{T}\cdot 360.(6)$$

При C_X=0 фазовый сдвиг равен нулю (U5, фигура 3). Однако при высоких проводимостях G_X и емкостях C_X порядка сотен пикофарад на частотах порядка десятков-сотен Гц фазовый угол составит величины лишь порядка десятитысячных долей градуса. Из выражения (6) можно показать, что в единицах непосредственно измеряемой величины - времени (τ) - такой фазовый угол эквивалентен десятым долям микросекунды. Высокоточные измерения величин такого порядка затруднены. Поэтому для повышения точности в предлагаемом техническом решении использовано накопление временного интервала τ за счет многократного прохождения генерируемого сигнала через измеряемый двухполюсник (U3, фигура 3).At C _X = 0, the phase shift is zero (U5, figure 3). However, with high conductivities G _X and capacitances C _{X of the} order of hundreds of picofarads at frequencies of the order of tens to hundreds of Hz, the phase angle will be only about ten thousandths of a degree. From expression (6), it can be shown that in units of the directly measured quantity - time (τ) - such a phase angle is equivalent to tenths of a microsecond. High-precision measurements of quantities of this order are difficult. Therefore, to increase the accuracy in the proposed technical solution, the accumulation of the time interval τ due to the multiple passage of the generated signal through the measured two-terminal network (U3, figure 3) was used.

В процессе накопления временной интервал возрастает до величины 2·N·τ, что позволяет уверенно выделить ее из результатов прямых измерений суммарного времени.In the process of accumulation, the time interval increases to 2 · N · τ, which allows us to confidently distinguish it from the results of direct measurements of the total time.

Таким образом, от начала отсчета (момента включения электронного ключа 3) до останова (окончания N-го периода) на измерителе временного интервала 12 (P_Δt) фиксируется период T1 и суммарный временной интервал, описываемый выражениемThus, from the start of the countdown (the moment the electronic key 3 is turned on) to the stop (end of the Nth period), the period T1 and the total time interval described by the expression are fixed on the time interval meter 12 (P _Δt )

$$t=N\cdot T1+2\cdot N\cdot \tau ,\left(7\right)$$

$$t=N\cdot T\mathrm{one}+2\cdot N\cdot \tau ,\left(7\right)$$

где T1=T-2τ, период при C_X=0.where T1 = T-2τ, the period at C _X = 0.

Откуда, при известных T1 и N можно вычислить τ с высокой точностью. Тогда с учетом выражений (5), (6) и (7) выражение для вычисления емкости измеряемого CG- двухполюсника 5 можно представить в виде:Where, with the known T1 and N, one can calculate τ with high accuracy. Then, taking into account expressions (5), (6) and (7), the expression for calculating the capacitance of the measured CG two-terminal 5 can be represented as:

$$C_X=tg\left(\frac{\tau }{T}\cdot 360\right)\cdot \frac{\frac{1}{R}+G_X}{2\cdot \pi }\cdot T=tg\left(\frac{t-N\cdot T1}{2\cdot N\cdot T}\cdot 360\right)\cdot \frac{\frac{1}{R}+G_X}{2\cdot \pi }\cdot T.(8)$$

$$C_X=tg\left(\frac{\tau }{T}\cdot 360\right)\cdot \frac{\frac{\mathrm{one}}{R}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="G\; X"\; filenames="00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">G\; </figure-callout>}}_X}{2\cdot \pi }\cdot T=tg\left(\frac{t-N\cdot T\mathrm{one}}{2\cdot N\cdot T}\cdot 360\right)\cdot \frac{\frac{\mathrm{one}}{R}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="G\; X"\; filenames="00000012.png"\; state="\{\{state\}\}">G\; </figure-callout>}}_X}{2\cdot \pi }\cdot T.(8)$$

Таким образом, в отличие от известных, предложенный накопительный измеритель параметров CG-двухполюсников позволяет проводить измерения параметров C_X и G_X на частотах порядка десятков-сотен герц с повышенной точностью. Частота основной гармоники сигнала зависит от характеристик интегратора 6.Thus, in contrast to the known ones, the proposed accumulative parameter meter of CG-two-terminal devices allows measurements of the parameters C _X and G _X at frequencies of the order of tens to hundreds of hertz with increased accuracy. The frequency of the fundamental harmonic of the signal depends on the characteristics of the integrator 6.

Список используемой литературыBibliography

1. Патент №2239200 (Россия), МКИ G01R 27/26, G01R 17/10 / Устройство для прецизионного измерения электрической емкости / Раховский В.И., Дагаев В.Ю. Заявл. 26.03.2001. - №2001107631/09 (Россия); опубл. - 10.03.2003.1. Patent No. 2239200 (Russia), MKI G01R 27/26, G01R 17/10 / Device for precision measurement of electric capacitance / Rakhovsky V.I., Dagaev V.Yu. Claim 03/26/2001. - No. 2001107631/09 (Russia); publ. - March 10, 2003.

2. Патент №2260190 (Россия), МКИ G01R 27/26 / Релаксационный измеритель параметров CG-двухполюсников / Подкин Ю.Г., Мишков М.Ю. Заявл. 06.02.2004. - №2004103523/28 (Россия); опубл. - 10.09.2005.2. Patent No. 2260190 (Russia), MKI G01R 27/26 / Relaxation parameter meter of CG two-terminal networks / Podkin Yu.G., Mishkov M.Yu. Claim 02/06/2004. - No. 2004103523/28 (Russia); publ. - September 10, 2005.

Claims (1)

Накопительный измеритель параметров диссипативных CG-двухполюсников, содержащий первый и второй источники образцового напряжения, электронный коммутатор, второй вход которого подключен ко второму источнику образцового напряжения, отличающийся тем, что в него введены электронный ключ, соединяющий первый источник образцового напряжения с первым входом электронного коммутатора и первым входом измерителя интервала времени, интегратор, соединяющий выход электронного коммутатора со вторым входом измерителя напряжения и неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого соединен с входом инвертирующего триггера Шмидта и первым входом измерителя напряжения, а через переменный резистор - с инвертирующим входом операционного усилителя и измеряемым CG-двухполюсником, выход инвертирующего триггера Шмидта соединен с управляющим входом электронного коммутатора и вторым входом измерителя временных интервалов, третий вывод которого соединен с управляющим входом электронного ключа. Cumulative parameters meter of dissipative CG-two-terminal circuits, containing the first and second reference voltage sources, an electronic switch, the second input of which is connected to the second reference voltage source, characterized in that an electronic switch is inserted into it, connecting the first reference voltage source to the first input of the electronic switch and the first input of the time interval meter, an integrator connecting the output of the electronic switch with the second input of the voltage meter and non-inverting the input of the operational amplifier, the output of which is connected to the input of the inverting Schmidt trigger and the first input of the voltage meter, and through a variable resistor to the inverting input of the operational amplifier and the measured CG two-terminal, the output of the inverting Schmidt trigger is connected to the control input of the electronic switch and the second time interval of the meter , the third output of which is connected to the control input of the electronic key.

Images