Устройство для измерения напряжения

 

Союз Советскик

Социапистическиа

Республик

ОП ИСАЙ ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (iii 792150 (6I ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 04.0 l.79 (2l )2705750/18-21 с присоединением заявки J% (23) Приоритет

Опубликовано30.12.80. Бюллетень Лв 48

Дата опубликования описания03.0>,8< (5Ф)М. Кл.

Q 01 К 19/00

Гасударственный комнтат

СССР ао двлан нзааретений н открытнй (53) УДК 621..

° 3 17.7 (088.8) (72) Авторы изобретения

А. А. Блистанов, В. С. Петраков, Н. т . Сорокин и С. И. Чижиков

Московский ордена Трудового Красного Знамени институт стали и сплавов (7l) Заявитель

1.1

"-1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИ

Настоятцее изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения электрических напряжений в различных промышленных и научных установках, где необходимо в широком диапазоне и с доста5 точно высокой точностью проводить измерения величины электрического напряжения.

Известно устройство для измерения то напряжения, содержащее преобразователь измеряемого напряжения в деформацию в виде биморфной пьезоэлектрической диафрагмы с жестким центром, дифференциальный струнный преобразователь механического напряжения в частоту электрического сигнала и схему регистрации, причем концы дифференциального струнного преобразователя прикреплены к жесткому центру пьезоэлектрической диафрагмы с обеих сторон (13.

Недостатками этого устройства являются: сложность сборки дифференпиального датчика, температурная нестабильность, приводящая к дрейфу нуля, обусловленная разнородностью материалов, используемых в конструкции датчика, нелинейность шкалы при измерении высокого напряжения, связанная с нелинейной зависимостью возникающей деформации от прикладываемого измеряемого напряжения.

Известно также устройство для измерения напряжения, которое используется в способе преобразования действующего напряжения в частоту, состоящее иэ генератора, стабилизированного кварйевьтм резонатором (-cpeaa и расположенного внутри подогревателя, к клеммам которого подключено измеряемое напряжение $2).

Недостатками этого устройства являются: малое входное сопротивление, ограниченное сопротивлением обмотки нагревателя, незначительный диапазон измеряемых напряжений, а также значительное время выхода на режим индикации напряжения, связанное с инерционностью системы.

Наибслсе б,-:. :т,--:,- л-. нием и данна1;: устрой, т;.,напря31eIt:-, »i

ll«I с Нт, Ig Э»1ЕЪ", р; таа;,1

ИЗ;»1ЕряЕ»1"аЕ -Лт.ац-.я; Е.;-:.,:1.-.-. .,-т деформации -, эиэк:р-, (ПЬЕЗСРЕЗСНтато Э1 И Ухаэатэ-:=,.:-..И=тэ- ., преобразователь дефосматтиу, яв1TIpoigiI и

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЗСНата-: =1 т. ЗЬтт.т-. ненным из линейн"-с к»ис-ал-= ="-.a««"В ВИДЕ УДЛИЛ1ЕННай В т-.аиапВЛЕ"-.-- : С:— пластины AT — ср - т-"тчбж -."-«т-,j т =-"-родами для включения з ст.э;«,т; нератора и механически жестко связа-:.—::ной с торцами упомянутого пье аэл„--мента. Причем, пьезоэлемент и пьезссэ; зонатор выполнены из одного материаг;с

КВаРЦа а Гг Чтгч тТХ МЕХИ,+it «(ттСГ«« динения расположены вдоль аси 3, Я!

НЕДОС ат Ы»1т1 ПГ-т -И--" Ят=п=-----.H8gOC TBTO HI1 BR то«ЧН СС TI» тТЗМ ЕаэттГ;т С-В-„.. занная с ..;спсльзавание1- —,-:.-=

ЗСЭЛЕКтРт .1ЕС „„- .. -;-гтИС, ò..—..

Кстсpопr Чт1С т«, Эт-,.- ° -= ф ипиентав мапь.-., а, .с::ед:.— »: ате,:--:=; . и возникаю-г -е - гтсв;« =-т ч. :; —-Водят;(;,Гад j ",«т;„,. -".- ;. «|ят»т

I ИМ -i «Iттт» . :С, « коурщицттентл -«ас с ы, „=: - .и

Му ПаРаЛТ»«тц " т 1т -«П «1Л«е тттга(: T -, !. . «3 ТЬ« рения, поскольку иои линейной

ЦИИ» ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ИЗМЕ -.тетТ«1Е

ПЬЕЗОРЕЗСНатава СП«ТСЬ1ца. -;.-.- -:;= —,.:;--:"- -;,:.; функцией утг1з чгих мод-тт -.- .т тьего порядков« .:тс птти-,=-, Най ЗаВ11СИМССтТ .: ВЬ1ХСт..=-: О 1"..Оа . " величины измеряемого напряжения. -и;

Целью изобретения является повышение точности и получение линейной зависимости выходного сигнала or измеряемого напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем пьезорезана тор, снаб женный первой парой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезорезонатора, и подключенных к схеме ге50 нератора, смеситель и индикатор дополнительно введены генератор и конденсатор, пьезорезонатор снабжен второй па- . рой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезорезонатора, каж55 дый из электродов второй пары подключен через упомянутые конденсаторы к введенному генератору, подключение каждого.I j L«;" Д ад а ! Ыт 1(«к11 икдук

-oáo;t, причем

ttаиpI! ä1< и:,,1 ттад-.л.о =ено к

: ---.t pcIс: каждо.- т i ü: через с-.рс. .ст зо содержит пьезорезистор, <ототгый выпсгтнен из нелинейногс пье.— эскр.-.с-,игла, . ::гр:г;.е":,, -;i i!Iñкристалла. —, »тб . т 3 л я",,. — ««л««»о т т — тт, т —, т«Ч тТ««(ТОИЧЕ

ПЬЕ ОхтЗТ1СтаЛЛа В;т1-..:;,„— ПИ=, -i«, .... — t

Т Ст»о ЦВЕ !IP« ттгь ПЕ;". -;,тт1 «=,—, т; —, —.—,-,.; —, Н-. т и

" .: "= электроды 6 и 9 послеуптку:и-д;,".:ливнасти XO

-Е1«»тi, .". 3 =,а с<ттОТ)т-Ю

А

---.-э -. =:=-:" nå ëoå t-.ачряжение через и с1с -.:»трсдь: т и 8, ; —.-.-„-:--.и-,; -:;, --.,- .. с единенные между са"ста--, ;. катушку индуктивнОсти

11;-.-;,- -. -.:.,, и к1темме 5 4, на которую

-- —,-,;- -,ттв".;„- -,t-ätiPß!,tet-::«IÑ ЧЕРез — — i "-.д-«-и ттгтwHoot" 5, Il т,, «;«»»т ат«--,тЕ - ««Т ;ТОС и-Г I t тт 8 .,.;:;;, -.; .-,дансаторы „6 и . 7 цсдкл!счены к генератору 4, а противолежащие электроды 7 и 9, через конденсаторы 18 и 19, подключены к генератору 5«Выходы генераторов 4 и 5 подключены ко входу смесителя 2Î, к выходу которого подключен индикатор 23.

Устройство работает следующим образам. Дс подключения .измеряемого чапряжения Ij на клеммы 1 1 и 14, возбуждающее напряжение с двух одинаковых генераторов 4 и 5, подается на соответствующие электроды 6, 8, 7 и 9, через конденсаторы 16, 17, 18 и l9.

При этом на частоте f возбуждается

О пьезорезонатор. Сигналы с генераторов

4 и 5 частоты о поступают на вход смесителя 2Ст. При этом, разнсстный сигнал с выхода смесителя равен нулю. Измеряемое на1тряжение, подключенное х

7S2l50 напряжение конденсаторов должно соответст«о«ать «елнчине веркнегo предела шкалы измерений. Измерительное напряжение создает в объеме пьезорезонато15 ,>а 1, выполненного из нелинейного пьезоэлектр; —. еского;, кристалла, электрическое лоле, которое за счет упругоэлектрического эффекта, заключающегося в изменении упругости кристалла от величины напряженности электрического поля, приводит к изменению частоты колебаний резонатора. Нелинейные пьезоэлектрические кристаллы характеризуются большим изменением частотной постоянной среза кристалла от величины электрического поля. Относительное изменение частотыЛ /f пьезорезонатора из нелинейного пьезокристалла, or величины напряжености электрического поля

Е, описывается «ыраженчем:

25

ЬII4 =с Е+pЕ где С и P — коэффициенты, являющиеся комбинациями упругих модулей вто35 рого порядка и унругоэлектрических коэффициентов кристалла. Характер изменения частоты нелинейного пьезорезонатора определяется типом колебания, 40 направлением распространения и направлением приложения электрического поля.

Выбор направления распространения и типа колебаний, а также направления приложения электрического напряжения, l

45 позволяет определить срез кристалла и изго тови1 ь,пь взор езон а тор, который обладает максимально-линейной зависимостью изменения частоты от величины измеряемого напряжения, т.е. для которого величина коэффициента много больше коэффициента ф . Такой срез может обладать некоторым температурным коэффициентом частоты. Поэтому, повышение термостабильности в данном устройстве достигается конструктивным выполнением резонатора, а именно, применением на одном кристаллическом срезе двух лаз электродов 6, 7, 8 и 9, 50 клвммам 11 и 14, поступает через катушки индуктивности l2, 15, lO и 13 к накрестлежашим электродам 6 и 9, 7 и 9. Индуктивность катушек l О, l 3, 3. 2 и «5 выбирается таким образом., чтобы источник измеряемого напряжения при подключении не влиял на . частоту колебаний генератороь 4 и 5. Емкость с конденсаторов 16, 17, l8 и l9 выбирается из условия С 7 Ср, где Cp MBKrpH lO ческая емкость льезорезонатора. Рабочее включенных в схемы двух одинаковых r енераторов.

Перекрестное включение электродов

6 и 9 и 7 -8 к измеряемому напряжению приводит к тому, что, например, сигнал с генератора 4 будет иметь частоту 1, + E4, а сигнал с генератора 5: — а. 1 . Сигналы с генераторов 4 и 5 поступают на вход смесителя 20, B котором выделяется разностный сигнал частотой 2 л . Этот сигнал регистрируется индикатором 21,, шкала которого проградуирована в вольтах, Предлагаемое устройство при изготовлении пьезорвзонаторов из монокристаллов ниобата и танталата лития с размерами 10 х 5 х 2 мм и выполнении электродов 6, 7, 8 и 9, площадью

16 мм каждый путем нанесения на про2 тивоположные параллеЯьные грани 2 и 3 с помощью вакуумного напыления серебра, а также при ориентации нормали к граням вдоль оси или 7. кристалла и ориентации длины пластины пьезорезонаторов вдоль направления оси Х имело точность измерения напряжения 0,02 .

Поскольку, диапазон измерений определяется геометрией пьезорезонатора и напряжением пробоя, то используя для этого пластины большей толщины и увеличивая расстояние между электродами на поверхности, можно расширить диапазон измерений до + 10 кв.

Использование данного устройства для измерения напряжения по сравнению с существующими устройствами обеспечивает следующие преимущества: линейность шка- лы в широком диапазоне измеряемых напряжений, что достигается выбором типа колебаний пьезорезонатора, направлением распространения колебаний и направлением приложения электрического напряжения; большое входное сопротивление и малая входная емкость, необходимые для подключения устройства к неизвестным измеряемым источникам напряжения без изменения выходных характеристик. Так, в случае использования в устройстве резонатора из ниобата лития, входное сопротивление составило 2х10 Ом, а входная емкость 6 пф. В случае использования танталата лития, входное сопротивление составило 5х10 Ом, входная емкость

4 пф; повышение точности и термостабильности устройства достигается путем использования на одной пластине льезорезонатора двух пар электрода, включенных в схему двух одинакввых генераторов и

792150

ВНИИПИ Заказ 10143/43 Тираж 1019

Подписное

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 перекрестно включенных между собой для подключения к источнику; расширение диапазона измерений путем выбора соответствуюшм о размера пьеэорезонатора и расстояния между электродами; упрошение технологии изготовления чувствительного элемента по сравнению с прототипом.

Формула изобретения 10

l. Устройство для измерения напряжения, содержащее пьезорезонатор, снабженный первой парой электродов, расположенных на противоположных гранях и пьезорезонатора и подключенных к схеме генератора, смеситель и индикатор, о тл и ч а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения точности и получения линейной зависимости выходного сигнала от ур измеряемого напряжения, дополнительно введены генератор и конденсаторы, пье« зорезонатор снабжен второй парой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезорезонатора, каждый из элект-25 родов второй пары подключен через упомянутые кондесаторы к введенному генератору, подключение каждого иэ электродов первой пары к генератору также выполнено через конденсаторы, а каждые два накрестлежаших электрода обеих пар через первые катушки индуктивности соединены между собой, причем измеряемое напряжение подключено к одному иэ электродов каждой пары через вторые катушки индуктивности.

2. Устройство по п. l, о т л и ч а ю. ш е е с я тем, что;резонатор выполнен из нелинейного пьезокристалла, например, монокристалла ниобата лития.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР

N 46l382 кл. Cj Ol R 19/26, 1975..

2. Авторское с видетельство СССР

N 46393.6, кл . Cj Ol Д l9/2$, 1975.

3. Авторское свидетельство СССР

34 49856l, кл. С Îl Р l9/00, l976, (прототип) .