Мост для измерения составляющих комплексной проводимости

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советск ни

Социапистическик

Республик 938165 (6l ) Дополнительное к авт. сеид-ву (22)Заявлено 11. 07.80 (21) 2960231/18-21 с присоединением заявки № (5 l } М. Кл.

6 01 К 17/10

9заударсткниый комитет

СССР (23) Приоритет йа делаы изобретений и открытий

Опубликовано 23.06.82. Бюллетень № 23

Дата опубликования описания 25 06 82 (53) У К 621. 317. 733(088. 8) (72) Авторы изобретения .

А.Ф. Кугаевский и В. В. Орехов

Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола (71) Заявитель (54) МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯКМЦИХ

КОМПЛЕКСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а точнее к измерениям комплексных величин и их параметров, и может быть использовано, например, в устройствах для измеренияя электромагнитных характеристик материалов на высоких частотах.

Известны одинарные Т-образные уравновешиваемые мостовые схемы для измерения составляющих комплексного иммитанса образцов материалов и их параметров на высоких частотах, в которых активную составляющую измеряемого образца, а часто одновременно и реактивную составляющую, измеряют либо по изменению величины переменного сопротивления, представляющего со- . бой многодекадный магазин активных проводимостей, либо по изменению величины переменного конденсатора, при-то чем схемы, в которых регулируемыми элементами являются только емкости, обладают гораздо большими воэможностями, так как позволяют производить

2 измерения на более высоких частотах и с меньшими погрешностями (1).

Недостаток этих схем - низкая точность измерений (особенно малых образцов материалов) на высоких частотах иэ-за.весомого влияния остаточных параметров элементов плеч, приводящая к необходимости введения поправок, определение которых с достаточной точностью представляет собой трудоемкую задачу, а на более высоких частотах вообще теряет какой-либо смысл.

Наиболее близким по технической сущности является мост, имеющий генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, одни выводы которых подключены к общей шине, и одинарную Т-образную схему, содержащую конденсатор переменной емкости, включенный в поперечное плечо, один . вывод которого соединен с общей шиной, зажимы для подключения объекта измерения, расположенные параллельно

30 (4) г, "I »»а;»» ») 3 93816 конденсатору переменной емкости, резистор, подсоединенный в первое продольное плечо одинарной Т-образной схемы, во второе продольное плечо которой включена катушка индуктивности, причем один вывод резистора соеди-. нен с вторым выводом указателя равновесия, а второй вывод резисторас вторым выводом первого конденсатора переменной емкости и с одним выводом катушки индуктивности, второй

° вывод которой соединен с вторым выводом генератора напряжения высокой частоты, и второй конденсатор переменной емкости, включенный параллельно резистору и катушке индуктивности продольной ветви (2).

Схема, используя подключение образца параллельно поперечному плечу, реализует метод двух уравновешиваний: 0 при разомкнутых зажимах и при включении измеряемого объекта. Из условий равновесия моста без образца и с образцом имеем:

g„=»/(»»» »».».üñ ); ((» > (1)

1D = C1i

Дт) (9 (е) (). „ . 2 гдеЬС =C -С„; ЬСд= ц> д> с -с т.е. стсчет составляющих измеряемой проводимости осуществляется по изменению емкостей. Однако, уравнения измерения известного устройства существенно отличаются от (1) и (2 ), если учесть остаточные параметры элементов плеч моста, причем, как показывает практика, наиболее существенное влияние на результаты измерений оказывают сопротивления потерь катушек 40 индуктивности, поскольку добротность последних в несколько раз ниже, чем е добротность конденсаторов. В этой связи окончательное условие равновесия известного устройства с учетом сопро- 4 тивления потерь катушки индуктивности записывается как: ! =(Д)ЬС„, + Ъ„) (Гь )ВЬ) „,-0 () ю откуда уравнение измерения (1 ) и (2 ) принимают вид

Гх=»((Ul Р ьс,(4+Г ) 3

5 4

Отсюда видно, что наличие сопротивления потерь катушки индуктивности приводит не только к искажению фиксаI ции режима схемы, которому соответствует условие равновесия, но и к искажению основных уравнений, т.е. к неверному отсчету составляющих измеряемого образца; учет влияния сопротивлечия потерь катушки индуктивности с достаточной точностью в виде введения поправок затруднителен из-за их сложной зависимости как от частоты измерений, так и от изменения емкостей регулировочных конденсаторов..

Все зто сказывается на точности измерений особенно малых величин образцов материалов на высоких частотах и является существенным недостатком известного устройства, ограничивающим его широкое применение.

Цель изобретения - повышение точности измерений комплексной проводимости особенно малых образцов материалов на высоких частотах одинарной

Т-образной мостовой схемы с отсчетом составляющих по изменению емкостей.

Поставленная цель достигается тем, что в мосте измерения составляющих комплексной проводимости на высоких частотах, содержащем генератор напря1женил высокой частоты, указатель равновесия, первый вывод которого соединен с общей шиной, и одинарную

Т-образную схему-, состоящую из конденсатора переменной емкости, включенного в поперечное плечо, первый вы. вод которого подсоединен к общей шине, зажимов для подключения объектов измерения, включенных параллельно конденсатору переменной емкости, резистора, подключенного в первое продольное плечо одинарной Т-схемы, катушки индуктивности, включенной в другое продольное плечо, первый вывод которой соединен с одним выводом генератора напряжения высокой частоты, а второй вывод — с вторым выводом конденсатора переменной емкости и с одним выводом резистора, другой вывод которого подсоединен к второму выводу указателя равновесия, и второго конденсатора переменной емкости, включенного в продольную ветвь параллельно катушке индуктивности и резистору, параллельно поперечному плечу подсоединен вход повторителя напряжения, выход которого включен последовательно с генератором напряжения высокой частоты.

9381

11= -I . т.е. потенциал точки 10 индикатора моста оказывается равным потенциалу земли, что равносильно тому, что кон,. 55 денсатор 5 переменной PMKocTN и резис тор 3 заземляются, причем последнее подключается параллельно конденсатору 2 переменной емкости на вход ПН 6.

На чертеже приведена электрическая схема моста.

Иост содержит генератор 1 напряжения высокой частоты, конденсатор 2 переменной емкости (С ), служащий для 5 уравновешивания и отсчета по реактивной составляющей измеряемого образца, резистор 3 (R), катушку 4 индуктивности (, r), конденсатор 5 переменной емкости, служащий для уравновешивания и отсчета по активной составляющей (С ), повторитель 6 напряже чия (ПН) и индикатор 7, измеряемый объект 8.

Напряжение от генератора 1 посту- 15 пает на Т-образную цепь, состоящую из резистора 3, катушки 4 индуктивности и двух конденсаторов 2 и 5 переменной емкости. Вход ПН 6 подключается параллельно конденсатору 2 пере- 2О менной емкости, а выход - последовательно с генератором 1 напряжений высокой частоты. Индикатор 7 баланса схемы включается на выход Т-образной ! цепи, а измеряемый объект 8 парал- 25 лельно конденсатору 2 переменной емкости. Уравновешивают схему дважды: без образца, т. е. при разомкнутых зажимах "9-9" холостой ход), и с образцом, конденсаторами переменной ем- 3О кости 2 и 5 по нулевым показаниям индикатора 7. Данные для расчета реактивной составляющей отсчитывают по лимбу конденсатора 5 переменной емкости а расчет осуществляется либо

У

35 с использованием формул, либо непосредственно по лимбам конденсаторов 2 и 5, которые в этом случае должны быть отградуированы в определенных единицах измерения, в зависимости от

40 характера измеряемой проводимости.

Мост такого типа, как и другие

T-образные уравновешиваемые структуры, относят к устройствам с узлом уравновешивания токов, т.е. в нем

45 происходит уравновешивание токов Т и 1 . В момент равновесия, когда ток

Я. через индикатор 7 равен нулю, эти токи равны по величине и противопо" ложны по фазе:

5О (6) 65 6

Если при этом сопротивление резистора 3 и емкость конденсатора 2 . переменной емкости выбраны так, что для всех частот измерения выполняется неравенство

Йсс . (7)

3ФС1+Г +3bx, (что особенно характерно для малых ! образцов материалов), то ток t, протекающий по катушке 4 индуктивности, замыкается, в основном, через сопротивление резистора 3 Ц 2 1„), падение напряжения на котором через ПН 6 суммируется с напряжением питания моста ° Напряжение на выходе ПН 6 определяется выражением:

Чп„,= К Е„В, (8) а общее уравнение для напряжения цепи компенсации, при условии, что внутреннее сопротивление генератора настолько мало, что им можно пренебречь с достаточно высокой степенью точнос-. ти, принимает вид:

U +V„„=T<(v чjuuL К), (9) где 60 - напряжение генератора высокой частоты; К и - коэффициент передачи ПН (0 + Кп 1) .

Подставив значение V H èç уравнения (8; в (9), после некоторого преобразования определяем значение тока, протекающего в этой цепи, и условие компенсации активного сопротивления катушки 4 индуктивности

Vo (1 О) а йри

Д у Ри. =Кк%

Ъ (1 2)

При этом следует отметить, что

ПН решает только отведенную ему узкоспециализированную задачу компенсаций активного сопротивления катушки индуктивности, поскольку обладает до" статочно высоким входным и очень малым выходным сопротивлениями, что не позволяет ему практически оказывать сколь-либо заметное влияние на условие равновесия моста, т ° е. на процесс измерений.

Условие равновесия одинарной Т-образной структуры

Х Y2z 7- ч-ь, ъ,-о

1 1?I

7 938165 8

Формула и зобретения

4О для схемы моста в случае, когда образец не подключен, а сопротивление потерь катушки 4 индуктивности скомпенсировано, запиеывавтся как аь ис„к аье+ =o щ

0)

3 UPC2."

Если приравнять вещественные и мнимые части уравнения (13) к нулю, то ока1О жется, что первоначальное уравновешивание моста достигается при равных значениях емкостей переменных конденсаторов

С„- С 1/(uu 4), (4) что упрощает и повышает точность начальной настройки схемы и улучшает ее сходимость.

Для схемы моста в случае, когда образец подключен, уравнение равновесия принимает вид (м 4 (f(d С „+ Я, + Ь» ) Ко+ ) (61 +

- R.+,.„.1 -О (15)

Мс,"

Взяв разность между 15) и (13), окончательное условие равновесия схемы в случае метода двух уравновешиваний получаем в виде.

) 4 @ С1+Гх 1 х) (уд (16) . -.е 5C, bC< - изменение емкостей соответственно C. и

2. при чем и а)

Ь С1=С4 -С1 ь С -с -с(-

2.

Г; скрыв а"-, выражение (16 ), т. е, ;; =- вни вая к нулю вещественные и х-и :.,".-. части, активную и реактивную с B ..àùêå проводимости в этом слу.—:: .-;деляют из равенств;

: аким образом, предлагаемая схема мо..:.-1 позволяет производить измерение сос авляющих комплексной проводимос- 5в ти г о изменению емкостей, она содержит минимальное количество элементов, необходимых для уравновешивания и раздельного отсчета составляющих проводимости измеряемого образца;первоначально уравновешивается при равных значениях емкостей переменных конденсаторов; имеет раздельный баланс по активной и реактивной составляющим, в схеме моста регулируемый элемент и измеряемый объект заземлены, т.е. подключаются и поперечное плечо моста; и наконец, схема устраняет влияние остаточного сопротивления потерь катушки индуктивности.

Мост для измерения составляющих комплексной проводимости на высоких частотах, содержащий генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, первый вывод которого соединен с общей шиной, и одинарную Т-образную схему, состоящую из конденсатора переменной емкости, включенного в поперечное плечо, первый вывод которого подсоединен к общей шине, зажимов для подключения объекта измерения, включенных параллельно конденсатору переменной емкости, резистора, подключенного в одно продольное плечо

Т-схемы, катушки индуктивности, включенной в другое продольное плечо, первый вывод которой соединен с одним выводом генератора напряжения высокой частоты, а второй вывод - с вторым выводом конденсатора переменной емкости и с одним выводом резистора, другой вывод которого подсоединен к второму выводу указателя равновесия, и второго конденсатора переменной емкости, подсоединенного в продольную ветвь параллельно резистору и катушке индуктивности, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерения, параллельно поперечному плечу подсоединен вход повторителя напряжения, выход которого включен последовательно с генератором напряжения высокой частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Кугаевский А.Ф. Измерение параметров ферромагнитных материалов на высоких частотах. М., изд. Стандартов, 1973, с. 90-105.

2. Авторское свидетельство CCCP по заявке Р 2909439/18-21, 17.04.80 прототип).

938165

Составитель В. Семенчук

Ревактор А. Козориз Texpeg А. Ач Корректор M. Коста

Заказ 4452/67 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11)О)5 Москва Ж-35 Раушская наб. д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4