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?

[Wise]

..ОУ должен генерировать ток и переключаться, как только напряжение зарядки измеряемого конденсатора достигнет некоего эталонного порога.

..Такой вариант принципиально ничем не отличается от

..измеритель ёмкости в приборе уже присутствует, используется заряд постоянным током (напряжение 150В) и метод оценки напряжения по двум точкам экспоненты.

К тому же, там хотя бы две точки..

..А вот если известный заряд на известной емкости разложить на сумму известной и определяемой емкостей, результатом будет постоянное напряжение, которое надо отфильтровать от переменного напряжения помехи..
..Можно и на неизвестную емкость давать импульс фиксированного тока фиксированной длительности, то есть, фиксированный заряд.
Постоянное напряжение, возможно, проще определить на фоне помех, нежели караулить ту же экспоненту..

Сообщение отредактировал Wise - Jan 12 2011, 09:40

[MaslovVG]

А если применить питание фиксированой частотой, одновременно измеряя ток питания линии, синхронное детектирование (измерение амплитуды и фазы) и накопление результатов в течении минут.
Внеполосные составляющие и низкочастотные помехи подавятся.

[Altemir]

А если применить питание фиксированой частотой, одновременно измеряя ток питания линии, синхронное детектирование (измерение амплитуды и фазы) и накопление результатов в течении минут.
Внеполосные составляющие и низкочастотные помехи подавятся.

Если я правильно понял - получается вариация первого рабочего метода, предложенного мной для рассмотрения в начале поста? Но по скорости проигрывает? "Минут" для измерения нет, рамки временнЫе указал в начале. Метод неплохой, но всё-же требует бОльшего усреднения.
Плюсы - ЦОС значительно проще. Синхронное детектирование можно самим ЦП и АЦП делать, по схемотехнике аналогично предложенному мной.
Минусы - ???

Да, и ещё. Ток источника помехи может на порядки превышать ток моего источника сигнала (измерительного генератора), который протекает через измеряемую ёмкость.

[MaslovVG]

Да, и ещё. Ток источника помехи может на порядки превышать ток моего источника сигнала (измерительного генератора), который протекает через измеряемую ёмкость.

На вход измерителя полосовой фильтр на частоту измерения, лучше пассивный LC (легче получить большой динамический диапазон на входном сигнале).
PS. Да пришло в голову на километровой длине могут начаться эфекты длинной линии. Поэтому частота измерительного сигнала желательно меньше 10килогерц.

[Altemir]

На вход измерителя полосовой фильтр на частоту измерения, лучше пассивный LC (легче получить большой динамический диапазон на входном сигнале).

Если использовать ряд частот (в зависимости от диапазона), то можно только ФНЧ.

Помоделировал с интегратором.
1. В симуляторе всё выглядит красиво, если источник помехи включен последовательно с Cx, т.к. входное сопротивление интегратора большое.
2. Если же источник помехи включен параллельно измеряемой ёмкости, то - беда Разряд в этом случае идёт уже не через интегратор, а через источник помех.

Как будет на практике пока ещё не известно. Нужно думать, а заодно и поиграться регулировкой диапазонов.

P.S.
3. Разряд Cx будет идти не на сам интегратор, а на делитель перед интегратором, т.к. тестовое напряжение равно 150В