Цифровой метод

На рисунке 5 представлена структурная схема измерителя емкости.

Рисунок 5 - Структурная схема измерителя емкости

Наиболее часто используемый принцип действия прямопоказывающего цифрового измерителя емкости основан на определении постоянной времени цепи разряда конденсатора С_хчерез резистор R.

Структурная схема измерителя емкости состоит из двух основных частей: измерительного преобразователя емкости в интервал времени, равный постоянной времени RC - цепи, и цифрового измерителя интервалов времени (ЦИИВ).

В исходном положении переключатель SA1, управляемый напряжением, подсоединяет конденсатор С_хк стабилизированному источнику питания Е, который заряжает конденсатор. Момент t₁начала измерения задается устройством управления (УУ).

На рисунке 6 приведены временные диаграммы напряжений для схемы цифрового метода измерения емкости.

Рисунок 6 - Временные диаграммы напряжений цифрового метода

Стартовый импульс U_СТ переключает SA1, в результате чего начинается разряд конденсатора С_Х через резистор Rпо экспоненциальному закону.

Напряжение на конденсаторе u_c(t) определяется из выражения:

,

где t = RC_X - постоянная цепи разряда,

t - текущий момент времени (t ³ t₁).

Напряжение u_c(t) подается на первый вход устройства сравнения (УС), ко второму входу которого подводится постоянное напряжение , снимаемое с делителя напряжения, содержащего прецизионные резисторы R₁ и R₂. Сопротивления R₁ и R₂ делителя выбираются таким образом, чтобы выполнялось условие , где =2,7183. Тогда .

Если к моменту времени t₂ напряжение u_c(t) уменьшается до величины Ur (т.е в момент t₂напряжение u_c(t) уменьшается до величины ),то устройство сравнения выдает импульс U_K, задающий конец измеряемого интервала времени .

Заметим, что при выполнении условия интервал Т равен постоянной времени цепи разряда конденсатора T = RC_X, а число подсчитанных импульсов m оказывается прямо пропорциональным емкости C_Х:

m = f₀RC_x=kC_x,

где f₀ - частота следования счетных импульсов U_сч.

Если k сделать равным, например 10⁹, то прибор получается прямопоказывающим. В этом случае емкости в 1 мкФ соответствует 1000 импульсов. Погрешность в единице младшего разряда счета составит 0,001 мкФ, то есть относительная погрешность не превысит 0,1%.

Измерение емкости цифровым методом можно осуществить на базе универсального цифрового вольтметра, если обеспечить прямопропорциональную зависимость между напряжением на конденсаторе и величиной его емкости. Такую зависимость легко получить, если ток измерительной цепи будет определяться лишь величиной емкости конденсатора.

На рисунке 7 представлена схема измерителя емкости цифровым методом с использованием универсального цифрового вольтметра.

Для схемы, представленной на рисунке 7, выполняются условия:

и ,

где U — действующее значение напряжения, выдаваемого генератором синусоидального напряжения (напряжение на входе измерительной схемы).

Поэтому падение напряжения на резисторе R пропорционально величине емкости С_х: .

Рисунок 7 - Принципиальная схема измерителя емкости цифровым методом

с использованием универсального цифрового вольтметра

Для градуировки вольтметра в единицах емкости необходимо подключить магазин С_Ми с помощью переменного резистора Rустановить требуемое значение напряжения U₁:

U₁ = 2p f RUC_M(6)

Заменив магазин С_мисследуемым конденсатором, измеряют соответствующее значение напряжение:

. (7)

Значения сопротивления резистора R, напряжения Uи частоты f при этом не изменяются. Из (6) и (7) получаем градуировочную характеристику вольтметра:

. (8)