Способ измерения электрической емкости и индуктивности

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в частности для измерения емкости C и индуктивности L. Повышение точности и упрощение процесса измерения достигается тем, что текущее напряжение на измеряемом элементе сравнивают сразу же после подачи питания с текущим напряжением на активном эталонном сопротивлении R, стоящим последовательно с измеряемым элементом, измеряют временной интервал T_p от момента подачи питания до момента совпадения текущих напряжений на R с текущим напряжением на L или C, затем L или C рассчитывают по формулам, некритичным к величине и медленной нестабильности источника питания. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в аппаратуре для измерения емкостей и индуктивностей.

Известен способ для измерения электрической емкости и индуктивности с помощью мостовой схемы. Исследуемый элемент вводят в одно из плеч моста, к диагонали моста подводят синусоидальное напряжение от генератора, мост балансируют, изменяя сопротивления остальных плеч, а состояние баланса фиксируют по нулевому показанию индикатора, регистрирующего напряжение, которое возникает в другой диагонали моста.

Недостатками способа являются применение генератора переменного тока, а также громоздкость процесса измерений, так как для балансировки моста необходимо изменять как модуль, так и фазу по крайней мере одного из сопротивлений, т. е. иметь не менее двух регулируемых элементов. Для большинства применяемых мостов осуществить раздельную регулировку модуля и фазы не удается. Балансируют мост методом последовательных приближений: поочередно регулируют каждый из элементов до получения минимального показания индикаторного прибора.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, в основу которого положен свободный процесс, возникающий при подключении заряженного конденсатора или катушки индуктивности с током к образцовому сопротивлению. Так, например, при измерении исследуемую емкость устанавливают в измерительную цепь, заряжают до напряжения источника питания, затем конденсатор разряжают на эталонное активное сопротивление. С началом разряда емкости одновременно начинают измерение временного интервала, которое заканчивают в момент совпадения текущего значения напряжения на емкости с постоянным опорным напряжением, а значение емкости рассчитывают по формуле C_x= , (1) где С_х - измеряемая емкость; Т_х - временной интервал от момента разряда конденсатора до момента равенства напряжения на конденсаторе и опорного напряжения; Е - напряжение источника питания; Е_о - постоянное опорное напряжение, формируемое с помощью делителя (Е_о < Е); R - эталонное активное сопротивление.

Недостатками способа являются невысокая точность определения С и L в связи с необходимостью иметь дополнительное постоянное опорное напряжение, обеспечение стабильности которого с высокой степенью точности затруднительно. Кроме того, создание этого опорного напряжения требует дополнительных аппаратурных затрат. О сложности данного способа свидетельствует также и необходимость предварительной зарядки исследуемого элемента от источника питания.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение процесса измерения.

Поставленная цель достигается тем, что измеряемый элемент устанавливают в измерительную цепь, подают на нее питание, сравнивают текущее значение напряжения на измеряемом элементе сразу же после подачи питания с текущим напряжением на активном эталонном сопротивлении, соединенном последовательно с измеряемым элементом, измеряют временной интервал от начала сравнения напряжений до момента их совпадения, а величины емкости или индуктивности рассчитывают по зависимостям C = (2) L = (3) где R - значение эталонного активного сопротивления; Т_р - временной интервал от момента подачи питания до момента совпадения текущих значений напряжения на измеряемом элементе и эталонном активном сопротивлении.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что предложенный способ обладает как новизной, так и существенными отличиями.

На чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство состоит из источника питания 1, ключа 2, эталонного активного сопротивления 3, контактов 4 и 5 для установки измеряемых элементов L или С, компаратора 6, спецвычислителя 7, устройства измерения временных интервалов 8 и цифрового индикатора 9. При этом один полюс источника питания 1 соединен с входом ключа 2, выход которого соединен с выводом эталонного активного сопротивления 3 и с первым входом компаратора 6. Второй полюс источника питания 1 соединен с контактом для установки измеряемого элемента 5 и с вторым входом компаратора 6. Контакт для установки измеряемого элемента 4 соединен с другим выводом эталонного активного сопротивления 3 и с третьим входом компаратора 6.

Выход компаратора 6 соединен с вторым входом устройства измерения временных интервалов 8 и 1 входом спецвычислителя 7, третий выход которого соединен с первым входом устройства измерения временных интервалов 8. Выход устройства измерения временных интервалов соединен с вторым входом спецвычислителя 7. Первый выход спецвычислителя 7 соединен с входом управления ключа 2, второй выход - с входом цифрового индикатора 9.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерения в контакты 4 и 5 устанавливают измеряемую индуктивность или емкость и с помощью переключателя в спецвычислитель 7 вводят информацию по какой зависимости (2) или (3) производить расчет. В момент времени t = 0 по команде, поступающей с первого выхода спецвычислителя 7 на вход управления ключа 2, происходит замыкание последнего. Одновременно с этим с третьего выхода спецвычислителя 7 импульс начала временного интервала поступает на первый вход устройства измерения временных интервалов 8. Напряжение питания через замкнутый ключ 2 подается на измерительную цепь, состоящую из эталонного активного сопротивления 3 и измеряемого элемента, установленного в контакты 4 и 5. Текущие напряжения, снимаемые с эталонного активного сопротивления и с измеряемого элемента относительно третьего входа компаратора 6, подаются на первый и второй входы компаратора 6 соответственно, где происходит их сравнение. В момент равенства текущих напряжений U_C и U_R (см. фиг. 2) или U_L и U_R (см. фиг. 3) на выходе компаратора 6 появится импульс конца формирования временного интервала, поступающий на второй вход устройства измерения временных интервалов 8, а также на первый вход спецвычислителя 7. В устройстве измерения временных интервалов 8 происходит прекращение формирования временного интервала, а спецвычислитель 7 разрешает прохождение информации о временном интервале с выхода устройства измерения временных интервалов 8 на второй вход спецвычислителя 7.

В спецвычислителе 7 реализуется алгоритм (3) или (2) в зависимости от измеряемого элемента. Значение измеренного параметра с второго выхода спецвычислителя 7 выдается на цифровой индикатор 9 или для его последующего использования в других схемах.

В момент начала реализации алгоритма (3) или (2) спецвычислитель 7 снимает управляющий сигнал с входа управления ключа 2 и последний, размыкаясь, отключает измерительную цепь от источника питания 1.

Положительный эффект доказывается следующим образом.

При подаче на RC-цепь постоянного напряжения U_o текущие напряжения на конденсаторе и активном сопротивлении будут определяться зависимостями: U_c= U1-e (4)
U_R= U_oe (5) где U_C - текущее напряжение на конденсаторе;
U_R - текущее напряжение на эталонном сопротивлении;
U_o - напряжение питания;
R - эталонное сопротивление;
С - измеряемая емкость.

Аналогично, при подаче на RL-цепь постоянного напряжения U_oтекущие напряжения на индуктивности и активном сопротивлении будут иметь вид
U_L= U_oe ; (6)
U_R= U1-e (7) где U_L - текущее напряжение на индуктивности;
L - измеряемая индуктивность.

Приравнивая выражения (4) и (5) и выражения (6) и (7), легко получить зависимости (2) и (3) для определения параметров С и L соответственно.

Из выражений (2) и (3) следует, что для организации процесса измерений отпадает необходимость в дополнительном источнике опорного напряжения. Способ некритичен к величине и медленной нестабильности источника питания. Кроме того, цикл измерения сокращается и упрощается, так как предварительный заряд элементов не требуется.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает упрощение процесса измерения и повышение точности измерений. (56) Дворяшин Б. В. и Кузнецов Л. И. Радиотехнические измерения, М. : Сов. радио, 1978, с. 294-295.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ И ИНДУКТИВНОСТИ, включающий установку измеряемого элемента в измерительную цепь, подачу на нее питания, сравнение текущего напряжения на измеряемом элементе с напряжением на другом элементе измерительной цепи, измерение временного интервала от начала сравнения напряжений до момента их совпадения и расчет измеряемого параметра по формуле, отли, осуществляют сравнение текущего напряжения на измеряемом элементе сразу же после подачи питания с текущим напряжением на активном эталонном сопротивлении, включенным последовательно с индуктивностью L или емкость C, а величины L или C рассчитывают по формулам
_{L =}
C = ,
где R - значение эталонного активного сопротивления;
T_р - временной интервал от момента подачи до момента совпадения текущих значений напряжения на измеряемом элементе и эталонном активном сопротивлении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3