Способ измерения заряда импульсов тока
Владельцы патента RU 2698526:
Любимцев Мирон Яковлевич (RU)
Дидик Юрий Иванович (RU)
Дидик Максим Юрьевич (RU)
Романовская Елена Мироновна (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения заряда импульсов тока. Способ измерения заряда импульсов тока основан на сравнении измеряемых сигналов и получаемых от эталона при поочередном их подключении к устройству сравнения. В качестве эталона используют источник постоянного тока. При подключении к устройству сравнения генератора импульсов тока определяют и запоминают значение интеграла по времени измеряемых импульсов тока и временной интервал дискретизации. При подключении к устройству сравнения источника постоянного тока определяют интеграл постоянного тока при том же значении интервала дискретизации. Изменением числа дискретных значений и величины силы постоянного тока добиваются равенства отсчетов устройства сравнения, а величину заряда импульсов тока определяют как произведение силы постоянного тока, числа дискретных значений и значения интервала дискретизации. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерения заряда импульсов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения заряда импульсов тока.
Известны способы измерения заряда импульсов тока, основанные на измерении амплитуды импульсов напряжения и емкости конденсатора (например, ГОСТ 20074-83 «Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов»). Заряд q будет определяться выражением
где: С - емкость конденсатора;
U - напряжение генератора импульсов.
Однако этот способ не обеспечивает необходимой точности измерения значения заряда импульса тока. Особенно в случаях, когда величина емкости составляет единицы пикофарад, а напряжения - доли вольта.
Известен способ измерения заряда, основанный на интегрировании напряжения на резисторе при протекании по нему импульса тока, наиболее близкий по технической сущности (Международный стандарт МЭК 60270 Методы высоковольтных испытаний. Измерение частичных разрядов; ГОСТ Р 55191-2012 Методы испытаний высоким напряжением. Измерения частичных разрядов).
При использовании аналогового интегратора значение заряда q будет определяться выражением:
где: i(t) - импульс тока;
R - сопротивление нагрузочного резистора;
- импульс напряжения, снимаемый с нагрузочного резистора. Погрешность определения величины заряда будет складываться из погрешностей интегрирования импульса напряжения и резистора нагрузки генератора импульсов. При малых величинах длительности импульсов (10-20 нс) и зарядов (10 и менее пКл) погрешность определения заряда может составить 5-10 и более процентов.
При цифровом интегрировании, в частности при использовании цифровых осциллографов, величина заряда может быть определена по формуле (3)
где: Ui - мгновенные значения отсчетов напряжения;
Δτ - временной интервал дискретизации - интервал времени, через который задают отсчеты.
Временной интервал дискретизации может быть определен, как
где: Kτ - коэффициент развертки осциллографа;
N - число делений развертки осциллографа;
n - число дискретных отсчетов Ui.
Погрешность в этом случае будет складываться из погрешности измерения мгновенных значений напряжения, погрешности временного интервала дискретизации и погрешности значения резистора.
Погрешность измерения амплитудных параметров сигналов, определяемая погрешностью коэффициента вертикального отклонения, может составить величины от ± 0,5% (например, для осциллографа TELEDYNE LECROY HDO 4054) до ± 3% (например, для осциллографа АКИП-4122/4).
Погрешность временного интервала дискретизации, определяемая погрешностью коэффициента развертки горизонтального отклонения, может составить от 
(например, для осциллографа TELEDYNE LECROY HDO 4054) до ± 0,01% (например, для осциллографа АКИП-4122/4).
Погрешность сопротивления нагрузочного резистора R в диапазоне частот до нескольких десятков мегагерц может составить величину порядка 0,1-0,5%.
Таким образом, и в этом случае погрешность определения значений заряда может оказаться недопустимо большой величиной.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения заряда импульсов.
Достигается названная цель тем, что в предлагаемом способе измерения заряда импульсов тока, основанном на сравнении измеряемых сигналов и получаемых от эталона при поочередном их подключении к устройству сравнения, в качестве эталона используют источник постоянного тока, при подключении к устройству сравнения генератора измеряемых импульсов тока определяют и запоминают значение интеграла по времени и временной интервал дискретизации, при подключении к устройству сравнения источника постоянного тока определяют и запоминают интеграл постоянного тока при том же значении интервала дискретизации, путем изменения числа дискретных отсчетов и величины силы постоянного тока добиваются равенства показаний устройства сравнения при подключении к устройству сравнения - осциллографу генератора измеряемых импульсов тока и источника постоянного тока, а значение заряда импульсов тока находят как произведение силы постоянного тока, числа дискретных значений и значения интервала дискретизации.
Действие предлагаемого способа может быть пояснено с помощью рисунка фиг. 1. На рисунке обозначено: 1 - генератор импульсов тока; 2 - эталонный источник постоянного тока; 3 - нагрузочный резистор; 4 - устройство сравнения; 5 - цифровой осциллограф; 6 - компьютер, (т.е., 3, 5 и 6 образуют устройство сравнения 4); 7 - переключатель; 7.1 - положение переключателя «генератор импульсов-включено»; 7.2 - положение переключателя «эталон-включено».
Пусть переключатель 7 находится в положение 7.1. В этом случае ко входу устройства сравнения 4 подключен генератор 1 измеряемых импульсов тока. Ток генератора, протекая по нагрузочному резистору 3 создает на нем падение напряжения 
. Это напряжение поступает на вход осциллографа 5. В осциллографе происходит усиление электрического сигнала и преобразование его в цифровую форму. При этом сигнал будет подвергнут дискретизации по времени и квантованию по уровню и представлен в виде последовательности дискретных значений Ui, отстоящих друг от друга на временной интервал 
. Полученные данные далее поступают в компьютер, где происходит вычисление в соответствии с выражением (2) значения заряда импульсов тока генератора 1. Значения Kτ и KU запоминают. При этом изображение импульса тока устанавливают, по возможности, на большей части экрана, а коэффициент развертки и коэффициент вертикального отклонения не изменяют.
Далее переключатель 7 устанавливают в положение 7.2. В этом случае ко входу устройства сравнения 4 оказывается подключен эталонный источник постоянного тока. Постоянный ток, протекая через резистор 3, создает на нем падение напряжения UЭ которое поступает на тот же вход осциллографа 5. Напряжение, поступившее на вход осциллографа 5, подвергают такому же преобразованию: дискретизации по времени и квантованию по уровню. Полученные данные поступают в компьютер 6, где происходит их обработка в соответствии с выражением (3)
где: UЭ - значение напряжения, снимаемое с резистора R, при подключении ко входу устройства сравнения эталонного источника постоянного тока;
nЭ - число дискретных значений при подключении эталонного источника постоянного тока.
Поскольку 
величина IЭ постоянная, выражение (4) может быть представлено в виде
Т.е., значение эталонного заряда находят как произведение величины силы постоянного тока, числа дискретных значений и величины интервала дискретизации.
Изменением числа дискретных значений и величины силы постоянного тока добиваются равенства отсчетов устройства сравнения при поочередном подключении к его входу генератора импульсов тока и эталонного источника постоянного тока. По достижении равенства отсчетов при подключении импульсов тока и постоянного тока q=qЭ фиксируют измеряемое значение заряда импульса тока
Возможна реализация способа при одновременном, но противофазном подключении к устройству сравнения генератора измеряемых импульсов тока и эталонного источника постоянного тока - рисунок фиг. 2. При этом задают временные пределы интегрирования, равные, но не более длительности импульсов тока по основанию. Выбор пределов интегрирования может быть осуществлен с помощью курсоров. Затем определяют разность интегралов по времени. Изменением силы постоянного тока добиваются нулевого показания устройства сравнения, а величину заряда импульсов тока определяют как произведение значения силы постоянного тока, количества дискретных значений силы постоянного тока и величины интервала дискретизации.
Погрешность определения заряда импульса тока δq в соответствии с выражением (3) будет складываться из погрешностей резистора δR, временных δτ и амплитудных 
параметров осциллографа - коэффициентов вертикального отклонения KU а и коэффициента развертки Kτ., соответственно. Полагая источники погрешностей независимыми и не учитывая влияния помех, получим оценку для относительной погрешности измерения
При этом примем, что число N делений развертки осциллографа и число n дискретных значений Ui могут быть определены с пренебрежимо малой погрешностью.
При измерении заряда по предлагаемому способу - выражение (7) погрешность определения заряда δq будет складываться из погрешностей задания эталонного тока - δI и временных параметров осциллографа δτ. Также, как и в первом случае, будем считать, что число n отсчетов дискретных значений IЭ могут быть определены с пренебрежимо малой погрешностью. Полагая источники погрешностей независимыми и не учитывая влияния помех, получим оценку для относительной погрешности калибровки:
Сравнение выражений (7) и (8) показывает, что при использовании предлагаемого способа измерения заряда отпадает необходимость учета погрешности резистора. Вследствие этого и достигается технический эффект, а именно, снижение погрешности, вносимой в результат измерений.
Необходимо отметить, что систематическая составляющая погрешности измерения заряда по предлагаемому способу дополнительно становится меньше за счет того, что погрешность задания постоянного тока может быть существенно меньше погрешности измерения мгновенных значений напряжения, создаваемого протеканием измеряемого заряда импульса тока по нагрузочному резистору. Так, погрешность измерения амплитудных параметров сигналов, определяемая погрешностью коэффициента вертикального отклонения, может составить величину от ± 0,5% (например, для не самого худшего по своим параметрам осциллографа TELEDYNE LECROY HDO 4054). В то же время, погрешность задания значения постоянного тока не самым лучшим по своим параметрам калибратора Н4-7 может составить величину порядка 
. Т.е., величину, существенно меньшую.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить величину погрешности измерения заряда импульсов тока.
1. Способ измерения заряда импульсов тока, основанный на сравнении измеряемых сигналов и получаемых от эталона при поочередном их подключении к устройству сравнения, отличающийся тем, что запоминают значение интеграла по времени при подключении к устройству сравнения измеряемых импульсов тока и временной интервал дискретизации, подключают к устройству сравнения в качестве эталона источник постоянного тока, определяют интеграл постоянного тока по времени при том же значении интервала дискретизации, изменением числа дискретных значений и силы постоянного тока добиваются равенства отсчетов устройства сравнения, а величину заряда импульсов тока определяют как произведение значения силы постоянного тока, количества дискретных значений силы постоянного тока и величины интервала дискретизации.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряемый и эталонный сигналы сравнивают при одновременном, но противофазном их подключении к устройству сравнения, при этом устанавливают пределы интегрирования постоянного тока равными, но не более длительности импульсов тока по основанию, определяют разность интегралов по времени, изменением силы постоянного тока добиваются нулевого показания устройства сравнения, а величину заряда импульсов тока определяют как произведение значения силы постоянного тока, количества дискретных значений силы постоянного тока и величины интервала дискретизации.
