Измерение ёмкости в тяжёлых условиях Опции

[Altemir]

Здравствуйте.
Стоит задача - добавить в готовое устройство с ограниченными габаритами печатной платы схему измерения ёмкости в условиях промышленных помех с длинными линиями.
Требования могут быть скорректированы, но базовые таковы:
1. Диапазон измеряемых емкостей 10нФ...10мкФ, разрешение в 1нФ, относительная погрешность 2%
2. На линии присутствуют помехи промышленной частоты (может наводиться, если честно, всё что угодно, спектрограмму сейчас привести сложно), среднеквадратичное значение в диапазоне до 1500Гц может достигать 18..45В
3. Внешние конструктивные и организационные методы защиты от помех на линии использовать нельзя
4. Измерения производятся недифференциальным методом (один провод до объекта длиной несколько километров и заземление)
5. Желательно уложиться в габариты без источников питания и CPU: 20*20мм с обеих сторон ПП
6. Время измерения должно быть в пределах 20...40сек
7. Необходима защита от попадания с линии высоких напряжений до 300В амплитудного значения
8. Последовательно со схемой измерения ёмкости в линии стоит резистор номиналом 5.6кОм 1%, обойти который нельзя.

Номинально измеритель ёмкости в приборе уже присутствует, используется заряд постоянным током (напряжение 150В) и метод оценки напряжения по двум точкам экспоненты. Ведётся несколько измерений, затем выбирается значение после медианной фильтрации. Помехоустойчивость низкая, естественно: реальное значение от измеренного может отличаться в 2-3 раза при большом наведённом напряжении.

Как вариант рассматривается схема измерения на переменном токе с сеткой частот, например: 3, 13, 33, 133Гц. Использовать какой-нибудь малогабаритный ЗЧ-усилитель, есть CPU типа LPC1768 с ЦАП-ом на борту, который можно подключить к усилку для генерации синусоид. АЦП можно взять от того же CPU, либо есть двуполярное внешнее 12bit 250kSps. Оценить значение ёмкости на переменном токе можно через реактивное сопротивление. Выделить нужную частоту и отсечь помехи полосовым фильтром математикой ЦП тоже можно. Решение ли это? Есть ли ещё какие варианты?

[Altemir]

провод в несколько километров даст ёмкость в 10нФ и более. Мне кажется нужна калибровка. От электриков я слышал о блуждающих токах. А если такой ток приблудится? Сопротивление земли вещь непостоянная, я ещё мягко выразился.
...
Боюсь, для таких расстояний схему придется разбивать на две части: собственно измеритель с передатчиком и девайс с приемником.
Блуждающие токи (особенно их постоянная составляющая) штука совершенно непредсказуемая. Зависит и от наличия силовых кабелей, и трамвайной линии, и от системы гальванозащиты от коррозии трубопроводов, и т.д. и пр.

В моём случае ёмкость линии учитывается в измерениях, т.к. включена в состав измерений: более-менее постоянная величина в пределах нескольких часов - точно, значение этой ёмкости может достигать и единиц микрофарад.
Блуждающие токи? Силовые кабели рядом и мощные нагрузки? Да, это как раз тот случай Приёмник и передатчик разделять нельзя.

Преобразование ёмкость-частота и включение измеряемой ёмкости в частотозадающую цепь генератора - думал об этом, но помехоустойчивость будет никакая, как мне кажется. Наведённое напряжение может вызвать срыв генерации, выведет ОУ в режим насыщения, если совсем не убьёт схему. К тому же следует помнить, что один конец частотозадающей ёмкости заземлён.

2 Tanya
Сейчас занялся моделированием как раз, как доделаю, сообщу. Пока интересует ещё ряд вопросов:
1. Используя интегратор для моего случая, как я понимаю, скорее всего придётся разбивать диапазон на три декады -> три значения ёмкости интегратора (или два-три интегратора), которые придётся коммутировать ключами с малой утечкой. При использовании IVC102 придётся ли использовать внешние конденсаторы или достаточно встроенных и можно поиграться временем интегрирования?
2. Не получится ли схема с интегрированием эквивалентом уже используемой (описал выше)? При этом добавляется ФНЧ: заряжаем неизвестную ёмкость до известного напряжения, разряжаем на известное сопотивление с фильтрацией верхних чатот. В этом случае, в зависимости от значения неизвестной ёмкости следует перестраивать ФНЧ и защищённость от разных спектральных составляющих будет меняться от измеряемой ёмкости. Т.е. в области малых емкостей - ВЧ часть помехи влияет, в области больших емкостей - НЧ часть. Бред тогда получается с таким эквивалентом.
3. В целом, помехоустойчивее ли предложенный Вами вариант варианта, который предложил я в начале поста?

[Microwatt]

Преобразование ёмкость-частота и включение измеряемой ёмкости в частотозадающую цепь генератора - думал об этом, но помехоустойчивость будет никакая, как мне кажется. Наведённое напряжение может вызвать срыв генерации, выведет ОУ в режим насыщения, если совсем не убьёт схему. К тому же следует помнить, что один конец частотозадающей ёмкости заземлён.

Вы как-то себе генератор представляете вроде гетеродина в приемнике - дунь на любой компонент - завянет.
Релаксационный генератор сбить с толку достаточно трудно, если работать по токовой, а не напряженческой составляющей. Убить ОУ насыщением тоже не получится, как говорится, этого не может быть потому что не может быть никогда. ОУ должен генерировать ток и переключаться, как только напряжение зарядки измеряемого конденсатора достигнет некоего эталонного порога. Если оно увеличится- уменьшится преждевременно от внешней помехи - получим паразитную ЧМ (ФМ), но ничего не выгорит. Паразитная модуляция убирается усреднением. И, конечно, измерительный ток должен быть возможно больше, чтобы уровень помех по возможности подавить.
Что до земли, то таки придется конденсатор измеряемый подключить двумя концами. А как иначе?

[Altemir]

Вы как-то себе генератор представляете вроде гетеродина в приемнике - дунь на любой компонент - завянет.
Релаксационный генератор сбить с толку достаточно трудно, если работать по токовой, а не напряженческой составляющей. Убить ОУ насыщением тоже не получится, как говорится, этого не может быть потому что не может быть никогда. ОУ должен генерировать ток и переключаться, как только напряжение зарядки измеряемого конденсатора достигнет некоего эталонного порога. Если оно увеличится- уменьшится преждевременно от внешней помехи - получим паразитную ЧМ (ФМ), но ничего не выгорит. Паразитная модуляция убирается усреднением. И, конечно, измерительный ток должен быть возможно больше, чтобы уровень помех по возможности подавить.
Что до земли, то таки придется конденсатор измеряемый подключить двумя концами. А как иначе?

В своём первом посте я указал, что нет физической возможности подключиться к конденсатору двумя линиями, иначе бы не затевал эту тему, т.к. диф измерения на 20км линии и сейчас работают прекрасно (+-0,3% за неделю при ёмкости 340нФ) при 30В наведёнки линия-земля. А ОУ может выгореть не из-за насыщения, а из-за 300В, о которых я указал тоже в начале поста. Можете привести для описанной задачи пример релаксационного генератора?

К тому же, там хотя бы две точки..

Да, только количество измерений с релаксационным генератором можно было бы провести на порядок больше за то же время измерения, чем как у меня - постоянным током