Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 681.2 : 621.317.33

ЛІНЕАРИЗАЦІЯ ШКАЛИ І ЗБІЛЬШЕННЯ ДІАПАЗОНУ ВИМІРЮВАННЯ ЄМНОСТЕЙ РЕЗОНАНСНИХ ВИМІРЮВАЧІВ

Бараненко Р.В.

Постановка проблеми

Постійний розвиток засобів вимірювання й контролю різних параметрів виробів і процесів є невід'ємною частиною науково-технічного прогресу. В даний час істотний вплив на методи побудови вимірювальних систем має використання ЕОМ для обробки результатів вимірювань і керування різними процесами.

Однієї з основних задач при розробці вимірювальних систем є підвищення точності, швидкодії і збільшення діапазону вимірюваних величин.

Аналіз останніх досліджень

В даний час існує багато методів вимірювання ємності [1-4]. Однак вони мають істотні недоліки, що полягають як у незадовільній точності і вузькому діапазоні вимірювання, так і у відсутності, у більшості випадків, лінійної шкали вимірювання ємності.

Існуючі вимірювачі ємності [5-8] мають недоліки: неможливість проведення вимірювань на одній фіксованій частоті й не дозволяють вимірювати ємності, значення яких перевищують ємність керуючого варикапа.

У [1,7-10] запропонований спосіб рішення проблеми збільшення діапазону вимірювання – проведення вимірювань на високих частотах і забезпечення лінійної шкали засобу вимірювання, що полягає у використанні резонансного методу із застосуванням керуючого варикапа. Використовуючи параметри керуючого варикапа, можливо за допомогою нескладних перетворень визначити залежність вимірюваної ємності від ємності варикапа.

Мета статті

Метою роботи є усунення недоліків методу вимірювання, лінеаризація шкали вимірювання ємності, розробка цифрового вимірювача, структурні особливості якого дозволять збільшити діапазон вимірюваних ємностей.

Основний матеріал

Для реалізації цілей статті створений цифровий резонансний вимірювач ємності з лінійною шкалою вимірювань, функціональна схема якого приведена на рис.1.

У його склад входять [11]: контур вимірювання 1; високочастотний генератор 2; джерело напруги зрушення 3; підсилювач перемінної напруги 4; детектор 5; блок виділення екстремуму 6; генератор імпульсів 7; лічильник імпульсів 8; програмований запам'ятовуючий пристрій 9; цифро-аналоговий перетворювач 10; регістр вихідний 11; схеми затримки 12, 13, 14.

До складу контуру вимірювання входять: керуючі варикапи 15, 16; індуктивність 17; поділяючі резистори 18, 19, 20, 21; поділяючі конденсатори 22, 23, 24; контакти для досліджуваного конденсатора (варикапа) 25; перемичка 26. Досліджуваний конденсатор (варикап) позначений 27.

Для розширення діапазону вимірювальних ємностей у схемі використовуються два керуючих варикапа, для подальшого збільшення вимірюваних ємностей кількість керуючих варикапів можна збільшувати.

Рис. 1 Функциональна схема резонансного вимірювача ємності

Принцип роботи даного вимірювача полягає в наступному. На контакти для підключення досліджуваного конденсатора (варикапа) ставиться перемичка, і контур вимірювання настроюється в резонанс.

Резонансна частота контуру вимірювання

де         – індуктивність контуру 17;

 – мінімальне значення суми ємностей керуючих варикапів 15 і 16.

По досягненню резонансу на контакти замість перемички ставиться об'єкт дослідження – конденсатор або варикап , при цьому вимірювальний контур виходить з режиму резонансу. Для настроювання вимірювального контуру в резонанс запускається генератор імпульсів, імпульси з якого надходять на вхід лічильника імпульсів, що рахує їхню кількість, і на вхід ПЗП, з якого зчитується код за адресою, що поступила з лічильника імпульсів. Даний код подається на вхід ЦАП, що перетворює його в пропорційне значення напруги, що надходить на керуючі варикапи, у результаті чого їхня ємність збільшується на значення . Лічильник імпульсів продовжує підрахунок імпульсів до установки контуру вимірювання в резонанс із частотою :

де  – сумарна ємність варикапів 15,16 при цьому резонансі,

де  - значення сходинок, на які змінюється ємність .

При цьому генератор перестає виробляти імпульси, а в регістр вихідний заноситься код адреси з лічильника імпульсів. Значення цього коду  відповідає значенню вимірюваної ємності .

З рівняння (2) одержуємо

де  – постійна величина.

З (4) маємо

Задавши однакові сходинки , на які повинна змінюватися ємність  при зміні , з рівняння (5) знаходимо значення  і за вольт-фарадними характеристиками керуючих варикапів знаходимо значення напруг зсуву , що відповідають значенням . Коди напруг  заносяться до ПЗП при виготовленні вимірювача. Таким чином, забезпечується лінійність шкали вимірювача.

Дійсно, з рівняння (5) маємо

або

де         - Const

 - числове значення вимірюваної ємності, тобто код, що знаходиться в лічильнику імпульсів.

Висновки

У даній статті автором пропонується вимірювач параметрів варикапів з лінійною шкалою вимірювання, що відрізняється підвищеною точністю і більш широким діапазоном вимірювання, що дозволяє вимірювати ємність варикапів на високих частотах.

1.                  Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин Н.Г. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. вузов/ Под ред. В.И. Винокурова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1986. – 351 с.: ил.

2.                  Орнатский П.П., Скрипник Ю.А., Скрипник В.И. Измерительные приборы периодического сравнения. –М.: Энергия, 1975, -231с.

3.                  Авдеев Е.Я., Антонюк Б.М., Душин Е.М., Основы метрологии и электрические измерения: 6-е изд., пераб. и доп. –Л.: Энергоатомиздат, 1987. –480с.

4.                  Скрипник Ю.А. Повышение точности измерительных устройств. –К.: 1990. –264с.

5.                  Цифровые приборы и системы для измерения параметров конденсаторов. Под редакцией Эпштейна С.Л. М., “Советское радио”. 1978. с.21, рис.2.1а.

6.                  Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин Н.Г. Электрорадиоизмерения. М., «Высшая школа». 1986. с.350 с.263, рис.13.9 а, б.

7.                  В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко Принцип здійснення гнучкого програмного керування елементами вимірювальних систем за аналізом їх експоненціальних параметрів // Вестник ХГТУ – Херсон: ХГТУ, 2003, №2 (18), C. 297-301.

8.                  Деклараційний патент на винахід № 48854 А, «Резонансний вимірювач ємності». Автори: В.Є. Ходаков, В.С. Тверезовський, Є.А. Дроздова. 6 G01R29/24. Опубл. 15.08.2002, Бюл. № 8.

9.                  В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко Принцип побудови елементів вимірювальних систем, представлених цифровими програмно керованими вимірювачами // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. – Херсон: ХГТУ, 2003, №1 (11), с. 100-104.

10.              Деклараційний патент на винахід № 50652 А, «Резонансний вимірювач індуктивності». Автори: В.Є. Ходаков, В.С. Тверезовський, Є.А. Дроздова, Р.В. Бараненко. 7 G01R27/26. Опубл. 15.10.2002, Бюл. № 10.

11.              Деклараційний патент на винахід № 63238 А, «Резонансний вимірювач ємності». Автори: В.Є. Ходаков, В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко. 7 G01R27/26. Опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1.