Главная Контакты Добавить в избранное Авторы Вопросы и ответы
,

УДК 681.2 : 621.317.33

МОДЕЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЯ ЕМКОСТИ С ЛИНЕЙНОЙ ШКАЛОЙ ИЗМЕРЕНИЙ

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В.

Постановка проблемы

Постоянное развитие средств измерений и контроля различных параметров изделий и процессов является неотъемлемой частью научно-технического прогресса. В настоящее время существенное влияние на методы построения измерительных систем оказывает использование цифровой техники для обработки результатов измерений и управления различными процессами [1].

Одной из основных задач при разработке измерительных систем является повышение точности, быстродействия и увеличение диапазона измеряемых величин.

 

Анализ последних исследований

В настоящее время существует много методов измерения емкости [2-5]. Однако они имеют существенные недостатки, заключающиеся как в неудовлетворительной точности и узком диапазоне измерений, так и в отсутствии, во многих случаях, линейной шкалы измерения емкости.

Существующие измерители емкости [6-8] имеют недостатки: невозможность проведения измерений на одной фиксированной частоте и не позволяют измерять емкости, значения которых превышают емкость управляющего варикапа.

В [1,2,7-10] предложен способ решения проблемы увеличения диапазона измерений – проведение измерений на высоких частотах и обеспечение линейной шкалы средства измерения, заключающийся в использовании резонансного метода с применением управляющего варикапа. Используя параметры управляющего варикапа, возможно с помощью несложных преобразований определить значение измеряемой емкости по емкости варикапа.

 

Цель статьи

Целью работы является устранение недостатков метода измерений, линеаризация шкалы измерителя емкости, разработка цифрового измерителя, структурные особенности которого позволят увеличить диапазон измеряемых емкостей.

 

Основной материал

Предлагается цифровой резонансный измеритель емкости с линейной шкалой измерения, в котором используются управляющие варикапы, применение которых в радиоэлектронике обеспечило разработку и производство новых систем бортовой и наземной связи, радиотехнической, радиоизмерительной, автоматической и телеаппаратуры со свойствами принципиально недостижимыми без варикапов:

-  с практически неограниченным количеством одновременно перестраиваемых цепей;

-  с возможностью автоматического выбора оптимальных каналов связи с дистанционным и программным управлением;

-  с помехоустойчивой и скрытной радиосвязью на изменяющейся частоте с увеличенной избирательностью при высоких загрузках радиотракта;

-  с повышенной устойчивостью к воздействию внешних факторов (механических, климатических и др.).

Функциональная схема измерителя емкости приведена на рис.1.

В его состав входят [1,11]: контур измерения 1; высокочастотный генератор 2; источник напряжения сдвига 3; усилитель переменного напряжения 4; детектор 5; блок выделения экстремума 6; генератор импульсов 7; счетчик импульсов 8; программированное запоминающее устройство 9; цифро-аналоговый преобразователь 10; регистр выходной 11; схемы задержки 12, 13, 14.

В состав контура измерения входят: управляющие варикапы 15, 16; индуктивность 17; разделяющие резисторы 18, 19, 20, 21; разделяющие конденсаторы 22, 23, 24; контакты для исследуемого конденсатора (варикапа) 25; перемычка 26. Исследуемый конденсатор (варикап) обозначен 27.

Для расширения диапазона измерительных емкостей в схеме используются два управляющих варикапа, для дальнейшего увеличения измерительных емкостей количество управляющих варикапов можно увеличивать.

Значения емкостей конденсаторов 22, 23, 24 должны быть значительно больше емкостей, которые измеряются и суммы емкостей управляющих варикапов 15 и 16, то есть должны выполняться условия

,

(1)

где Ср – значения емкостей разделяющих конденсаторов; Св1 и Св2 - максимальные значения емкостей управляющих варикапов 15 и 16.

Значения сопротивлений разделяющих резисторов 18, 19, 20, 21 должны быть значительно больше емкостных сопротивлений управляющих варикапов и емкости, которая измеряется. То есть необходимо выполнять условия

, ,

(2)

где  – значения сопротивлений разделяющих резисторов;

 – максимальное значение емкости, которая измеряется;

 – максимальные значения емкостей управляющих варикапов;

 – частота высокочастотного генератора 2.

 
 


Рис. 1 Функциональная схема резонансного измерителя емкости

 

При выполнении условий (1) и (2) разделяющие конденсаторы и резисторы не будут влиять на резонансные характеристики контура измерения.

Начальное положение схемы характеризуется таким состоянием составных элементов:

В ПЗУ 9 заносятся коды, которые во время работы измерителя преобразуются ЦАП10 в напряжения, которые подаются через разделяющие резисторы 20 и 21 на управляющие варикапы 15,16. При этом адресный код ПЗУ 9, что поступает из счетчика импульсов 8, отвечает значению количества ступенек, на которое изменяется суммарная емкость управляющих варикапов 15 и 16. Для этого необходимо заведомо измерять с большой точностью вольт-фарадные характеристики управляющих варикапов 15 и 16; определить рабочие участки вольт-фарадных характеристик; выбрать значения и количество ступенек , на которое будет изменяться суммарная емкость варикапов при подаче на них напряжения сдвига. Соответствующие напряжениям коды заносятся в ПЗУ 9.

Контур измерения 1 настроен в резонанс на частоте высокочастотного генератора 2, при этом на контактах для исследуемого конденсатора стоит перемычка 26; в счетчике импульсов 8, в младшем разряде, записана единица; на выходе ПЗУ 9 будет код, который преобразуется ЦАП 10 в напряжение, которое поступает на управляющие варикапы 15, 16, значения суммы емкостей варикапов отвечает начальному значению емкости  (3); на выходе генератора импульсов 7 импульсы отсутствуют.

Резонансная частота контура измерения

(3)

где  – индуктивность контура 17;

 – минимальное значение суммы емкостей управляющих варикапов 15 и 16.

На контакты 25, вместо перемычки, ставят исследуемый конденсатор (варикап) . Контур измерения 1 выходит из режима резонанса и напряжение на его выходе уменьшается. На вход счетчика импульсов 8 подается импульс “пуск”, что подтверждает начальное положение счетчика. После задержки схемой 12 импульс “пуск” поступает на вход генератора импульсов 7 и запускает его. Выходные импульсы из генератора 7 поступают на вход счетчика импульсов 8, который начинает их считать. Каждый задержанный импульс, с помощью схемы задержки 13, поступает на вход ПЗУ 9 и считывает из него код по адресу, который поступает из счетчика 8. Этот код поступает на вход ЦАП10, который преобразует код в пропорциональное значение напряжения, которое поступает на управляющие варикапы 15 и 16, увеличивая их емкость.

При приближении резонансной частоты контура измерения 1 к частоте высокочастотного генератора 2, на выходе контура будет увеличиваться напряжение, которое после усилителя 4 и детектора 5, поступает на вход блока выделения экстремума 6. Каждый импульс с выхода генератора 7, через схему задержки 14, поступает на управляющий вход блока выделения экстремума, опрашивая наличие экстремума. Когда резонансная частота контура будет равняться частоте генератора 2, на выходе контура будет максимальное напряжение. В этот момент с выхода блока выделения экстремума 6 поступит импульс напряжения на входы генератора импульсов 7 и регистра выходного 11. При этом генератор 7 перестает вырабатывать импульсы, а в регистр выходной 11 заносится код адреса из счетчика 8. Значения этого кода  отвечает значению измерительной емкости .

Резонансная частота контура при этом будет равняться .

,

(4)

где:  – суммарная емкость варикапов 15,16 при этом резонансе,

;

(5)

 - значения ступенек, на которые изменяется емкость .

Из уравнений (3) и (4) получим

;

(6)

где  – постоянная величина.

Из (6) имеем

.

(7)

Задавшись одинаковыми ступеньками , на которые должна изменяться емкость  при изменении  из уравнения (7) находим значение  и по вольт-фарадным характеристикам управляющих варикапов 15 и 16 находим значение напряжений смещения , которые отвечают значениям . Коды напряжений  заносятся в ПЗУ9 при изготовлении измерителя. Таким образом, обеспечивается линейность шкалы измерителя.

Действительно, из уравнения (7) имеем

,

(8)

или

,

(9)

где  - Const;

 - числовое значение измеряемой емкости, то есть код, который находится в счетчике импульсов 8.

 

Выводы

Разработанный измеритель емкостных параметров варикапов с линейной шкалой измерения отличается повышенной точностью и более широким диапазоном измерения, позволяющим измерять емкость варикапов на высоких частотах.

 

In the given article the opportunity and aspects of construction of measuring devices of electrical capacity are considered, the principle of construction of digital measuring devices with a linear scale of measurements and the algorithm of management are proposed and the circuit of resonant measuring device of electrical capacity is given.

1. Р.В. Бараненко Лінеаризація шкали і збільшення діапазону вимірювання ємностей резонансних вимірювачів // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. – 2004. – №2 (14). – С.155-158.

2. 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. – 351с.: ил.

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

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

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

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

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

8. Деклараційний патент України 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. – 2003. – №1 (11). – С.100-104.

10.   Деклараційний патент України на винахід50652 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 України на винахід63238 А, «Резонансний вимірювач ємності». Автори: В.Є. Ходаков, В.С. Тверезовський, Р.В. Бараненко. 7 G01R27/26. Опубл. 15.01.2004, Бюл. № 1.

 





Ответы на вопросы [_Задать вопроос_]

Информационно-измерительные системы

Ковальов О.І. Вимірювання у процесно-орієнтованих стандартах

Полякова М.В., Ищенко А.В., Худайбердин Э.И. Порогово-пространственная сегментация цветных текстурированных изображений на основе метода JSEG

Дзюбаненко А. В. Организация компьютерных систем для анализа изображений

Гордеев Б.Н., Зивенко А.В., Наконечный А.Г. Формирование зондирующих импульсов для полиметрических измерительных систем

Богданов А.В., Бень А.П., Хойна С.И. Релаксация обратного тока диодов Шоттки после их магнитно-импульсной обработки (МИО)

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Проектирование измерителя добротности варикапов

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Оптимизированная модель измерителя доб-ротности варикапов

Руднєва М.С., Кочеткова О.В., Задорожній Р.О. Принципи побудови оптимальної структури інформаційно-вимірювальної системи геометричних розмірів об’єктів в діапазоні від 1 нм до 1000 нм

Биленко М.С., Рожков С.А., Единович М.Б. Идентификация деформаций пе-риодических структур с использованием систем технического зрения

Рашкевич Ю.М., Ковальчук А.М., Пелешко Д.Д. Афінні перетворення в модифікаціях алгоритму RSA шифрування зображень

Дидык А.А., Фефелов А.А, Литвиненко В.И., Шкурдода С.В., Синяков Ф. В. Классификация масс-спектров с помощью кооперативного иммунного алгоритма

Клименко А.K. Обратная модель для решения задач в системах с многосвязными динамическими объектами

Завгородній А.Б. Порівняльне дослідження твердотільних і рідиннофазних об'єктів методом газорозрядної візуалізації

Голощапов С.С., Петровский А.В., Рожко Ж.А., Боярчук А.И. Измерение доб-ротности колебательного контура на основе метода биения частот

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С. Диагностирование критерия безопасности при заполнении замкнутых объемов СПЖ косвенным методом

Долина В.Г. Проблеми підвищення точності рефрактометра на основі прозорих порожнистих циліндрів.

Самков О.В., Захарченко Ю.А. Застосування алгоритму клонального відбору для побудови планів модернізації авіаційної техніки

Попов Д.В. Метод формування регламентів технічного обслуговування повітряних суден

Казак В.М., Чорний Г.П., Чорний Т.Г. Оцінювання готовності технічних об’єктів з урахуванням достовірності їх контролю

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Технические аспекты проектирования цифрового измерителя добротности варикапов

Тверезовский В.С., Бараненко Р.В. Технические аспекты проектирования устройства для разбраковки варикапов по емкостным параметрaм и добротности

Сосюк А.В. Інтелектуальний автоматизований контроль знань в системах дистанційного навчання

Соколов А.Є. Деякі аспекти систезу комп’ютеризованої адаптивної системи навчання

Полякова М.В., Волкова Н.П., Іванова О.В. Сегментація зображень стохастичних текстур амплітудно-детекторним методом у просторі вейвлет-перетворення

Луцкий М.Г., Пономаренко А.В., Филоненко С.Ф. Обработка сигналов акустической эмиссии при определении положения сквозных дефектов

Литвиненко В.И., Дидык А.А., Захарченко Ю.А. Компьютерная система для решения задач классификации на основе модифицированных иммунных алгоритмов

Лубяный В.З., Голощапов С.С. Прямоотсчетные измерители расхождений емкостей

Беляев А.В. Построение навигации для иерархических структур в WEB-системах и системах управления WEB-сайтом

Терновая Т.И., Сумская О.П., Слободянюк И.И., Булка Т.И. Контроль качества тканей специального назначения с помощью автоматических систем.

Шеховцов А.В. Інформаційний аспект: розпізнавання образів індивідуума.

Полякова М.В. Определение границ сегмента упорядоченной текстуры на изображении с однородным фоном с помощью многоканального обнаружения пачки импульсов.

Литвиненко В.И. Прогнозирования нестационарных временных рядов с помощью синтезируемых нечетких нейронных сетей

Ковриго Ю.М., Мисак В.Ф., Мовчан А.П., Любицький С.В. Автоматизована система діагностики генераторів електростанцій

Браїловський В.В., Іванчук М.М., Ватаманюк П.П., Танасюк В.С. Керований детектор імпульсного ЯКР спектрометра

Забытовская О.И. Построение функции полезности по экспериментальным данным.

Шиманські З. Апаратні засоби сегментації мовного сигналу

Хобин В.А., Титлова О.А. К вопросу измерения парожидкостного фронта в дефлегматоре абсорбционно-диффузионной холодильной машины (АДХМ)

Фефелов А. А. Использование байесовских сетей для решения задачи поиска места и типа отказа сложной технической системы

Слань Ю. М., Трегуб В. Г. Оперативна нейромережна ідентифікація складних об’єктів керування

Ролик А.И. Модель управления перераспределением ресурсов информационно-телекоммуникационной системы при изменении значимости бизнес-процессов

Кириллов О.Л., Якимчук Г.С., Якимчук С.Г. Изучение электрического поля с помощью датчика измерителя электростатического потенциала на модели замкнутого металлического объема

Грицик В.В. Застосування штучних нейронних мереж при проектуванні комп’ютерного зору.

Гасанов А.С. Информационные технологии построения систем прогнозирования отказов

Шеховцов А.В., Везумский А.К., Середа Е.С. Алгоритм сжатия информации без потерь: модифицированный алгоритм LZ77

Ходаков В.Е., Жарикова М.В., Ляшенко Е.Н. Методы и алгоритмы визуализации пространственных данных на примере моделирования распространения лесных пожаров.

Полякова М.В., Крылов В.Н. Обобщённые масштабные функции с компактным носителем в задаче сегментации изображений упорядоченных текстур. – C. 75 – 84.

Полторак В.П., Дорогой Я.Ю. Система распознавания образов на базе нечеткого нейронного классификатора.

Литвиненко В.И. Синтез радиально-базисных сетей для решения задачи дистанционного определения концентрации хлорофилла.

Бражник Д.А. Управление совмещением изображения объекта в сцене и эталонного изображения.

Бабак В.П., Пономаренко А.В. Локализация места положения сквозных дефектов по сигналам акустической эмиссии.

Мороз В. В. R-D проблема и эффективность систем сжатия изображений.

Крылов В.Н., Полякова М.В., Волкова Н.П. Контурная сегментация в пространстве гиперболического вейвлет-преобразования с использованием математической морфологии.

Квасников В.П., Баранов А.Г. Анализ влияния дестабилизирующих факторов на работу биканальной координатно-измерительной машины.

Казак В.М., Гальченко С.М., Завгородній С.О. Аналіз можливості застосування імовірнісних методів розпізнавання для виявлення пошкоджень зовнішнього обводу літака.

Тищенко И.А., Лубяный В.З. Управление коммутационными процессами в интегрированных сетях связи.

Корниенко-Мифтахова И.К.,Филоненко С.Ф. Информационно-измерительная система для анализа характеристик динамического поведения конструкций.

Полякова М.В., Крылов В.Н. Мультифрактальный метод автоматизированного распознавания помех на изображении.

Рожков С.О., Федотова О.М. Алгоритм розпізнавання дефектів тканин для автоматичної системи контролю якості.

Бражник Д.А. Использование проективного преобразования для автоматизации обнаружения объектов.

Ходаков В.Є., Шеховцов А.В., Бараненко Р.В. Математичні аспекти створення автоматизованої системи „Реєстр виборців України”