Мост для измерения составляющих комплексной проводимости

 

МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ, содержащий генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, первый вьшод которого соединен с общей шиной, одинарную Т-образную схему , состоящую из первого конденсатора переменной емкости, включенного в. поперечное плечо, первый вывод которого подсоединен к общей шине, за жимов для подключения объекта измерения , включенных параллельно первому конденсатору переменной емкости, резистора , включенного в одно продольное плечо Т-образной схемы, катушки индуктивности, включенной в другое продольное плечо, один вывод которой соединен с вторым выводом первого конденсатора переменной емкости и с одним выводом резистора, другой вывод которого подсоединен к второму выводу указателя равновесия, второго конденсатора переменной емкости, включенного в продольную ветвь параллельно резистору и катушке индуктивности , и повторитель напряжения, вход которого подсоединен параллель но поперечному плечу, 6 т л и ч ающ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, выход повторителя напряжения включен между одним выводом генератсфа напряжения высокой частоты, другой вывод которого подсоединен к общей шине, и другим выводом катушки индуктивности.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н ABTOPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3338261/24-21

„(22) 15. 09. 81 (46) 30.12.84 Вюп. 9 48 (72) А.Ф.Кугаевский и В.В.Орехов (71) Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола (53) 621.317.733(088 ° 8) (56) 1. Кугаевский А.Ф. Измерение параметров ферромагнитных материалов на высоких частотах. М., Изд-во Стандартов, 1973, с. 90-105.

2. Авторское свидетельство СССР .В 938165, кл. G 01 К 17/10, 11.07.80. (54)(57) МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮ1цИХ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ, содержащий генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, первый вывод которого соединен с об щей шиной, одинарную Т-образную схему, состоящую из первого конденсатора переменной емкости, включенного в поперечное плечо, первый вывод которого подсоединен к общей шине, за„.Я0„„1132236 жимов для подключения объекта измерения, включенных параллельно первому конденсатору переменной емкости, резистора, включенного в одно продольное плечо Т-образной схемы, катушки индуктивности, включенной в другое продольное плечо, один вывод которой соединен с вторым выводом первого конденсатора переменной емкости и с одним выводом резистора, другой вывод которого подсоединен к второму выводу указателя равновесия, второго конденсатора переменной емкости, включенного в продольную ветвь параллельно резистору и катушке индуктивности, и повторитель напряжения, g

И вход которого подсоединен параллельно поперечному плечу, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше- С ния точности измерения, выход повторителя напряжения включен между одним Я выводом генератора напряжения высокой частоты, другой вывод которого подсоединен к общей шине, и другим выводом катушки индуктивности.

1 t 32236

Изобретение относится к электроизмерительной технике, конкретно к измерению комплексных величин и .их параметров, и может быть использовано, например, в устройствах для измерения электромагнитных характеристик материалов на высоких частотах.

Известны одинарные Т-образные уравновешиваемые мостовые схемы для измерения составляющих комплексного 10 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 сопротивления.переменного резистора, представляющего собой многодекадный магазин активных проводимостей, либо по изменению величины емкости переменного конденсатора, причем схемы, в которых регулируемыми элементами являются только конденсаторы, обладают большими возможностями, так как позволяют производить измерение на более высоких частотах и с меньшими погрешностями Г13.

Недостатком таких мостовых схем является отсутствие воэможности компенсации паразитных остаточных пара30 метров элементов плеч моста во всем частотном диапазоне измерения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является мост, содержащий генератор напряже.— ния высокой частоты, указатель равновесия, первый вывод которого соединен с общей шиной, одинарную Т-образную схему, состоящую из конденсатора переменной емкости, включенного в поперечное плечо, первый вывод ко- 40 торого подсоединен к общей шине, зажимов для подключения объекта измерения, включенных параллельно конденсатору переменной емкости, резистора, включенного в одно продольное плечо Т-образной схемы, катушки ин. дуктивности, включенной в другое продольное плечо, первый вывод кото. рой 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 выво- ду указателя равновесия, второго M конденсатора переменной емкости, включенного в продольную ветвь параллельно резистору и катушке индуктивности, и повторитель напряжения, вход которого подключен параллельно поперечному плечу, а выход — последовательно с генератором напряжения высокой частоты. Схема реализует метод двух уравновешиваний: при разомкнутых зажимах и при включении измеряемого объекта, а введение повтори теля напряжения позволяет скомпенсировать паразитное сопротивление потерь катушки индуктивности (2 .

Недостатками известного моста являются невозможность компенсации паразитного остаточного сопротивления потерь катушки индуктивности во всем частотном диапазоне работы моста изза самовозбуждения ввиду преобладания действия положительной обратной связи и невыполнение условия непосредственного заземления генератора напряжения высОкой частоты, объекта измерения и указателя равновесия, что приводит к необходимости применения экранированных трансформаторов и симметрирующих цепей, увеличивает влияние емкостных утечек (особенно при осуществлении регулировок) и, наконец, накладывает жесткие требования на работу оператора. Все это сказывается на точности измерений, особенно малых образцов материалов на высоких частотах, и является существенным недостатком прототипа, ограничивающим его широкое применение.

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

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

Поставленная цель достигается тем, что в мосте для измерения составляющих комплексной проводимости, содержащем генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, первый вывод которого соединен с общей шиной, одинарную Т-образную схему, состоящую из первого конденсатора переменной емкости, включенного в поперечное плечо, первый вывод которого подсоединен к общей шине, зажимов для подключения объекта измерения, включенных параллельно первому койденсатору переменной емкости, резистора, включенного в одно продольное плечо Т-образной схемы, катушки индуктивности, включенной в другое продольное плечо, один вывод которой

1132 соединен с вторым выводом первого конденсатора переменной емкости и с одним выводрм резистора, другой вывод которого подсоединен к второму выводу указателя равновесия, второго конденсатора переменной емкости, включенного в продольную ветвь параллельно резистору и катушке индук1 тивности, и повторитель напряжения, вход которого подсоединен параллель— но поперечному плечу, выход повторителя напряжения включен между одним выводом генератора напряжения высокой частоты, другой вывод которого подсоединен к общей шине, и другим выводом катушки индуктивности.

На чертеже приведена эле трическая схема предлагаемого моста.

Иост содержит генератор 1 напряжения высокой частоты, конденсатор 2 переменной емкости (Cq ), служащий для уравновешивания и отсчета по реактивной составляющей измеряемого образца, резистор 3(R), катушку 4 индуктивности (1,7), конденсатор 5 переменной емкости, служащий для уравновешивания и отсчета по активной составляющей (C2), повторитель 6 напряжения, (ПН), индикатор 7, зажимы 8 для подключения объекта 9 измерения.

Мост для измерения составляющих комплексной проводимости работает следующим образом.

Напряжение от генератора 1 поступает на Т-образную цепь, состоящую из резистора.3, катушки,4 индуктив- Ý5 ности и двух конденсаторов 2 и 5 переменной емкости. Вход повторителя 6 напряжения подключается параллельно конденсатору 2 переменной емкости, а выход — последовательно с генерато-4О ром 1 напряжения высокой частоты. Индикатор 7 баланса схемы включается на выход Т-образной цепи, а объект 9 измерения — параллельно конденсатору

2 переменной емкости. Уравновешивают 4> схему дважды: без образца, т.е. при разомкнутых зажимах "8-8" (холостой ход), и с образцом конденсаторами 2 и 5 переменной емкости по нулевым показаниям индикатора 7. Данные для 5О расчета реактивной составляющей отсчитывают по лимбу конденсатора 2 переменной емкости, активной составляющей — по лимбу конденсатора 5 переменной емкости, а расчет осущест- 55 вляется либо с использованием формул, либо непосредственно по лимбам конденсаторов 2 и 5, которые в этом слу236

4 чае должны быть отградуированы в определенных единицах измерения, в зависимости от характера измеряемой проводимости.

Иост такого типа, как и другие

Т-образные уравновешиваемые структуры, относят к устройствам с узлом уравновешивания токов..В момент равновесия, когда ток через индикатор 7 равен нулю, потенциал точки 10 индикатора моста оказывается равным потенциалу земли, что равносильно тому, что конденсатор 5 переменной емкости и резистор 3 заземляются, причем последний подключается параллельно конденсатору 2 переменной емкости на вход ПН 6.

Если при этом сопротивление резистора 3 и емкость конденсатора 2 переменной емкости выбраны так, что для всех частот измерения выполняется неравенство р,(< аС„+ух+ Ьх где @„-, активная составляющая проводимости;

Ь» — реактивная составляющая проводимости (что особенно характерно для малых образцов материалов), то ток 1н,, протекающий по катушке 4 индуктивности,. замыкается в основном через сопротивление резистора 3 (1» 1 ), падение напряжения на котором через ПН 6 суммируется с напряжением питания моста. Напряжение на выходе ПН 6 определяется выражением а общее уравненйе для напряжения цепи компенсации, при условии, что внутреннее сопротивление генератора настолько мало, что им можно пренебречь с достаточно высокой степенью точности, примет вид где Up — напряжение генератора высокой частоты;

Кп — коэффициент передачи повторителя напряжения (0<Кп<1>.

Подставив значение V H из уравнения (2) в (3), после некоторого преобразования определим значение тока, протекающего в этой цепи, и

1132236

5 что упрощает и повышает точность начальной настройки схемы и улучшает ее сх одимос т ь.

Для схемы моста в случае когда образец подключен, уравнение равнове10 сия принимает,вид

I ="дй (5) а при

1 ЫЬ+К

При этом следует отметить, чт о повторитель напряжения решает только отведенную ему узкоспециализированную задачу компенсации активного сопротивления катушки индуктивности, 15 поскольку он обладает достаточно высоким входным и очень малым выходным сопротивлениями, что не позволяет ему практически оказывать сколь-либо заметное влияние на условие рав- 20 новесия моста, т.е. на процесс изме. рений. Кроме того, он подключен таким образом, что, с одной стороны, не устраняет общую точку заземпения генератора напряжений высокой часто- 25 ты, объекта измерения, регулируемого элемента и индикатора равновесия, т.е. не лишает моста основного преи мущества своего использования на высоких частотах, с другой стороны, в 30 схеме происходит перераспределение обратных связей и устраняется действие положительной обратной связи, а с третьей — работает на незаземленную нагрузку, т.е. получают Воз- 35 можность использовать более оправданные в этом случае с метрологической точки зрения повторители напряжения на операционных усилителях.

Условие равновесия одинарной Т-об-40 разной структуры .для схемы моста в случае, когда образец не подключен, а сопротивление потерь катушки 4 ин.дуктивности скомпенсировано, запишется как

ВНИИПИ Заказ 9786/38 Тираж 710 Поддисиое

Филиал ППП "Патеит", г. Ужгород,ул.Проектная, 4 условие компенсации активного сопротивления катушки 4 индуктивности

jg(,, Я+ Д1+ц+. с=О < l

1 ., С, Если приравнять вещественные и мнимые части уравнения,(7) к нулю, то окажется, что первоначальное равновешивание моста достигается. при равных емкостей переменных конденсаторов

j>L(jdC,"+g+ibx)R+ju3L+R ä-о 8) (7) Взяв разность между (9) и (7), окончательное условие равновесия схе мы в случае метода двух уравновешиМаний получим в виде „ (.)с„д„+,) . " =о, (10) ,1иЗЬC@ где а С1, -а С вЂ” изменение емкостей соответственно С1 и С» причем: (n) (11 (r> с "1 дс,=с, -с, oc,= - с, -с, Раскрывая выражение (10), т.е. приравнивая к нулю вещественные и мнимые части, активную и реактивную составляющие проводимости в этом случае определяют из равенства фх -" ) С2)1 bx=-u3 C„.

Таким обра зом, схема моста позволяет производить измерение составляющих комплексной проводимости по изменению емкостей, 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 генератор напряжения высокой частоты, регулируемый элемент, измеряемый объект и индикатор равновесия заземпены и, наконец, схема устраняет влияние остаточного сопротивления потерь катушки индуктивности во всем частотном диапазоне измерений.