close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 16741

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2013.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
G 01R 27/26
(2006.01)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
(21) Номер заявки: a 20110217
(22) 2011.02.21
(43) 2012.10.30
(71) Заявитель: Учреждение образования
"Полоцкий государственный университет" (BY)
(72) Авторы: Вершинин Александр Сергеевич; Авдейко Валерий Порфирьевич (BY)
BY 16741 C1 2013.02.28
BY (11) 16741
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Учреждение образования "Полоцкий государственный
университет" (BY)
(56) ТОПНИКОВ А. // Радио. - 2008. - № 2. С. 19-22.
RU 2099724 C1, 1997.
RU 2208805 C2, 2003.
UA 48848 A, 2002.
SU 1539680 A1, 1990.
US 2010/0321040 A1.
JP 2005/077316 A.
(57)
Устройство для измерения электрической емкости, содержащее генератор постоянного тока, источник опорного напряжения, первый компаратор, второй вход которого подключен к первому выводу измеряемой емкости и через последовательно включенные
резистор и первый управляемый ключ - к общему проводу, второй вывод измеряемой емкости подключен к общему проводу; преобразователь временного интервала в код, второй
управляемый ключ, диод, резистор, делитель напряжения, второй компаратор, логические
элементы И-НЕ, И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, RS-триггер; выход генератора постоянного тока соединен с анодом диода и через второй ключ с общим проводом, катод диода
соединен с первым выводом измеряемой емкости; выход источника опорного напряжения
подключен ко входу делителя напряжения, первый выход которого подключен к первому
входу первого компаратора, второй выход делителя напряжения подключен к первому
Фиг. 1
BY 16741 C1 2013.02.28
входу второго компаратора, второй вход которого соединен с первым выводом измеряемой емкости; выход первого компаратора соединен со вторыми входами элементов И-НЕ,
ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; выход второго компаратора соединен с первыми входами элементов И-НЕ, ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; выход элемента И-НЕ соединен с Sвходом RS-триггера, выход элемента ИЛИ соединен с R-входом RS-триггера, прямой выход которого соединен со вторым входом элемента И, первый вход которого соединен с
выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; выход элемента И соединен с информационным входом преобразователя временного интервала в код, инверсный выход RS-триггера
соединен со входами управления первого и второго управляемых ключей, третий вход
элемента И-НЕ соединен со входом сброса преобразователя временного интервала в код и
является входом запуска устройства, выход которого - выход преобразователя временного
интервала в код.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения величины емкости конденсаторов, а также для измерения и контроля непрерывно
изменяющихся неэлектрических величин, изменяющих емкость конденсаторных датчиков.
Известно устройство для измерения электрической емкости [1], содержащее первый и
второй одновибраторы, включенные по схеме кольцевого автогенератора, два интегрирующих звена, подключенные к выходам соответствующих одновибраторов, блок индикации, включенный между выходами интегрирующих звеньев, во времязадающие цепи
одновибраторов включены конденсаторы соответственно образцовой и измеряемой емкостей. На выходе устройства формируется постоянное напряжение, значение которого зависит от изменения измеряемой емкости и которое отражается блоком индикации.
Недостатками известного решения являются ограниченые функциональные возможности и невысокая точность измерений.
Известно устройство для измерения емкости конденсаторного датчика [2], содержащее первый и второй одновибраторы, включенные по схеме кольцевого автогенератора,
первое и второе интегрирующие звенья, во времязадающую цепь первого одновибратора
включен конденсаторный датчик и первый времязадающий резистор, во времязадающую
цепь второго одновибратора включен конденсатор образцовой емкости и второй времязадающий резистор, который первым выводом подключен к времязадающей цепи, выходы
первого и второго одновибраторов подключены ко входам первого и второго интегрирующих звеньев, аналоговый компаратор, микроконтроллер и цифровой индикатор, причем
выходы первого и второго интегрирующих звеньев подключены соответственно к первому и второму входам аналогового компаратора, выход которого подключен к тестируемому входу микроконтроллера, выход широтно-импульсного модулятора микроконтроллера
подключен ко второму выводу второго времязадающего резистора, цифровой индикатор
подключен к одному из портов ввода-вывода микроконтроллера.
Недостатками известного решения являются ограниченый диапазон измерений и невысокая точность измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является измеритель емкости конденсаторов, построенный с использованием микроконтроллера PIC16F876A
[3], содержащий управляемый генератор постоянного тока, выход которого подключен к
первому выводу измеряемой емкости, второй вывод которой подключен к общему проводу, резистор, разрядный управляемый ключ, источник опорного напряжения, компаратор,
встроенный в микроконтроллер и индикатор, причем первый вывод измеряемой емкости
соединен с первым входом компаратора, и через последовательно соединенный резистор и
разрядный ключ - с общим проводом, выход источника опорного напряжения соединен со
вторым входом компаратора индикатор подключен к одному из портов микроконтроллера, входы управления управляемого генератора постоянного тока и разрядного ключа
подключены к разным выводам другого порта микроконтроллера.
2
BY 16741 C1 2013.02.28
Недостатком известного решения является невысокая точность измерения величины
емкости.
Задача изобретения - повышение точности измерения.
Задача решается тем, что в устройство для измерения электрической емкости, содержащее генератор постоянного тока, источник опорного напряжения, первый компаратор,
второй вход которого подключен к первому выводу измеряемой емкости и через последовательно включенные резистор и первый управляемый ключ - к общему проводу, второй
вывод измеряемой емкости подключен к общему проводу; преобразователь временного
интервала - в код, введены второй управляемый ключ, диод, резистор, делитель напряжения, второй компаратор, логические элементы И-НЕ, И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и
RS-триггер; выход генератора постоянного тока соединен с анодом диода и через второй
ключ с общим проводом, катод диода соединен с первым выводом измеряемой емкости;
выход источника опорного напряжения подключен ко входу делителя напряжения, первый выход которого подключен к первому входу первого компаратора, второй выход делителя напряжения подключен к первому входу второго компаратора, второй вход
которого соединен с первым выводом измеряемой емкости, выход первого компаратора
соединен со вторыми входами элементов И-НЕ, ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; выход
второго компаратора соединен с первыми входами элементов И-НЕ, ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ; выход элемента И-НЕ соединен с S-входом RS-триггера, выход элемента
ИЛИ соединен с R-входом RS-триггера, прямой выход которого соединен со вторым входом элемента И, первый вход которого соединен с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ
ИЛИ; выход элемента И соединен с информационным входом преобразователя временного интервала в код, инверсный выход RS-триггера соединен со входами управления первого и второго управляемых ключей, третий вход элемента И-НЕ соединен со входом
сброса преобразователя временного интервала в код и является входом запуска устройства, выход которого - выход преобразователя временного интервала в код.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения электрической емкости,
на фиг. 2 приведена простейшая типовая функциональная схема преобразователя временного интервала в код.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит выводы подключения измеряемой емкости Cx, генератор постоянного тока 1, первый управляемый ключ 2, второй управляемый
ключ 3, диод VD1, резистор R1, источник опорного напряжения 4, делитель напряжения 5
(построенный, например, на резисторах R2, R3, R4), первый и второй компараторы 6 и 7
соответственно, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8, элемент ИЛИ 9, элемент И-НЕ 10,
элемент И 11, RS-триггер 12 и преобразователь временного интервала в код 13. Причем
первый вывод измеряемой емкости Cx подключен ко вторым входам первого 6 и второго 7
компараторов и через последовательно включенные резистор R1 и первый управляемый
ключ 2 - к общему проводу, второй вывод измеряемой емкости Cx подключен к общему
проводу, выход генератора постоянного тока 1 соединен с анодом диода VD1 и через второй ключ 3 с общим проводом, катод диода VD1 соединен с первым выводом измеряемой
емкости Cx; выход источника опорного напряжения 4 подключен ко входу делителя
напряжения 5, первый выход которого подключен к первому входу первого компаратора
6, второй выход делителя напряжения 5 подключен к первому входу второго компаратора
7, второй вход которого соединен с первым выводом измеряемой емкости, выход первого
компаратора 6 соединен со вторыми входами элементов И-НЕ 10, ИЛИ 9 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8; выход второго компаратора 7 соединен с первыми входами элементов ИНЕ 10, ИЛИ 9 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8; выход элемента И-НЕ 10 соединен с S-входом
RS-триггера 12, выход элемента ИЛИ 9 соединен с R-входом RS-триггера 12, прямой выход которого соединен со вторым входом элемента И 11, первый вход которого соединен
с выходом элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8; выход элемента И 11 соединен с информационным входом преобразователя временного интервала в код 13, инверсный выход
RS-триггера 12 соединен со входами управления первого 2 и второго 3 управляемых клю3
BY 16741 C1 2013.02.28
чей, третий вход элемента И-НЕ 10 соединен со входом сброса преобразователя временного интервала в код 13 и является входом запуска устройства, выход которого - выход
преобразователя временного интервала в код 13.
Принцип работы устройства для измерения электрической емкости заключается в том,
что при заряде конденсатора Cx от генератора тока с Ig = const, напряжение на конденсаторе Cx растет линейно, и скорость изменения этого напряжения обратно пропорциональна величине емкости Cx:
(1)
Uc = Ig ⋅ t/Cx,
где Uc - напряжение на конденсаторе Cx; Ig - ток заряда от генератора тока; t - время; Cx величина электрической емкости конденсатора. Тогда время, за которое растущее напряжение на конденсаторе Uc пройдет фиксированный интервал напряжений ∆Uc, будет пропоционально величине Cx:
(2)
τ = (∆Uc/Ig) ⋅ Cx.
В результате преобразования этого временного интервала в код получим значение выходного кода, пропорциональное величине измеряемой емкости.
Устройство для измерения электрической емкости работает следующим образом.
Прежде всего следует оговорить условия срабатывания компараторов 6 и 7. Логика работы представленной на фиг. 1 структуры устройства предполагает, что выходной сигнал
компаратора равен логической "1", если напряжение на втором входе компаратора
(напряжение на конденсаторе Uc) меньше, чем напряжение на первом входе (опорное
напряжение Uопi), то есть Uc < Uопi. Иначе, если Uc > Uопi, то выходной сигнал компаратора будет равен логическому "0".
В исходном состоянии устройства RS-триггер 12 находится в нулевом состоянии и логическим уровнем "1" с инверсного выхода удерживает первый 2 и второй 3 управляемые
ключи в замкнутом состоянии. Выходной ток генератора постоянного тока 1 через замкнутый ключ 3 замыкается на общий провод, а конденсатор Cx разряжен через резистор
R1 и замкнутый ключ 2. Диод VD1 блокирует разряд конденсатора Cx через ключ 3. Выходные сигналы компараторов 6 и 7 равны логической "1", в результате на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8 действует логический "0", на выходе элемента ИЛИ 9 "1", она же действует на R-вход RS-триггера 12. Поскольку сигнал пуска отсутствует, на
третий вход элемента И-НЕ 10 действует логический "0", то его выход равен логической
"1", и она же действует на S-вход RS-триггера 12. На оба входа элемента И 11 действуют
логические уровни "0", на его выходе - тоже логический "0", а на выходе преобразователя
временного интервала (в виде длительности импульса τ) в код может сохраняться результат предыдущего измерения.
С приходом запускающего импульса срабатывает элемент И-НЕ 10 и формирует на
своем выходе инверсный импульс, который переключает RS-триггер 12 в единичное состояние. Одновременно выполняется сброс счетчика преобразователя временного интервала в код. С прямого выхода RS-триггера 12 на второй вход элемента И 11 действует
логическая "1", которая является разрешающим сигналом для формирования временного
интервала в виде импульса. При этом состояние выхода элемента И 11 не изменяется. При
переключении RS-триггера 12 в единичное состояние ключи 3 и 2 размыкаются, и выходной ток генератора постоянного тока 1 через диод VD1 пойдет на заряд конденсатора Cx,
напряжение на конденсаторе начинает линейно расти.
Источник опорного напряжения 4 с помощью делителя напряжения 5 формирует два
опорных напряжения Uоп1 < Uоп2. Напряжение Uоп1 поступает на первый вход первого
компаратора 6, а Uоп2 - на первый вход второго компаратора 7. Разность опорных напряжений Uоп1 < Uоп2 = ∆Uc определяет фиксированный интервал напряжений, на котором
измеряется длительность заряда конденсатора согласно (2).
В момент, когда растущее напряжение на конденсаторе достигнет уровня Uc ≥ Uоп2
произойдет срабатывание первого компаратора 6 и на его выходе появится логический
4
BY 16741 C1 2013.02.28
"0". В результате на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8 появится логическая "1"
и, как следствие, на выходе элемента И 11 тоже появится логическая "1", что является
началом формирования временного интервала. При этом счетчик преобразователя временного интервала в код 13 начинает счет. Такое состояние измерительного преобразователя сохраняется до момента срабатывания второго компаратора 7.
В момент, когда растущее напряжение на конденсаторе достигнет уровня Uc ≥ Uоп2
произойдет срабатывание второго компаратора 7 и на его выходе появится логический
"0". В результате на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 8 появится логический "0"
и, как следствие, на выходе элемента И 11 тоже появится логический "0", что является
окончанием формирования временного интервала. При этом счетчик преобразователя
временного интервала в код 13 прекращает счет, и кодовое состояние счетчика пропорционально величине измеряемой емкости.
Кроме того, в момент срабатывания второго компаратора 7 на выходе элемента ИЛИ 9
также появится логический "0", и этим сигналом RS-триггер 12 сбрасывается в нулевое
состояние. Сигналом с инверсного выхода RS-триггера 12 ключи 2 и 3 опять замыкаются
и устройство возвращается в исходное состояние. При этом преобразователь временного
интервала в код 13 сохраняет результат преобразования.
Преобразователь временного интервала в код 13 может быть построен либо на основе
микроконтроллера, либо в виде типовой пересчетной схемы (фиг. 2), содержащей генератор тактовых импульсов 14, элемент И 15, формирователь короткого импульса 16 и счетчик импульсов 17.
Предлагаемое устройство для измерения электрической емкости по сравнению с прототипом обладает более высокими метрологическими характеристиками по следующим
причинам:
1. Фиксированный интервал напряжений, на котором измеряется длительность заряда
конденсатора Cx, согласно (2), смещен выше нулевого потенциала на величину Uоп1. Этим
исключается влияние остаточного неполного разряда измеряемой емкости.
2. Так как временной интервал τ, длительность которого пропорциональна величине
измеряемой емкости, формируется в результате последовательных срабатываний компараторов 6 и 7, то погрешности самих компараторов в большей степени компенсируются и
почти не вносят погрешность в результат измерения.
Источники информации:
1. Патент РФ 2156472, МПК G01 R 27/26, опубл. 20.09.2000.
2. Патент РФ 2231801, МПК G01 R 27/26, опубл. 27.06.2004.
3. Топников А. Микрофарадомер // Радио. - 2008. - № 2. - С. 19-22 (прототип).
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
97 Кб
Теги
16741, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа