Мост для измерения составляющих комплексной проводимости

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социапистическмк

Рвспубяии

l«i 917102 (6! ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 21.0880 (2 ) 2976439/18-21 с присоединением заявки И (23) Приоритет (5I )M, К.д.

0 О1 !! 17У10

Государстокииый комитет ао лелзн изобретаммй м открытий

Опубликовано 300382. Бюллетень Юв12

Дата опубликования описания 3Ы382 (53) УДЫ 621 ° 317.

733 (088. 8) Г

А.Ф. Кугаевский и В.В. Орехов

Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им. Ленинского комсомола (72) Авторы изобретения (7! ) За я он тел ь

<54) МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮ (ИХ

КОМПЛЕКСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ

Изобретение относится к злектроизмерительной технике и может бы1ь использовано в устройствах для измерения электромагнитных характеристик материалов на высоких частот чах.

Извест ны двойные 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 собой многодекадный магазин активных проводимостей, либо по йз" менению величины переменного конденсатора, причем схемы, в которых регулируемыми элементами являются только емкос1и, обладают гораздо большими возможностями, так как поз воляют производить измерения на более высоких частотах и с меньшими погрешностями (11.

Однако выигpbllU последних в точности измерений (особенно малых образцов материалов ) на высоких частотах значи1ельно снижается из"за весомого влияния ос1а1очных параметров элемен1ов продольных плеч мостов, что являешься серьезным недостаткомм, препятст вующим универсальному использованию такого рода схем, а конструкции лучших из нихсложны.

Из известных двойных Т-образных мостов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является мост Вудса. Этот мост имеет генератор напряжений высокой частоты, указатель равновесия, одни выводы которых подключены к общей шине, и двойную Т-образную схему, содержащую конденсатор переменной емкости и катушку индуктивности, образующие параллельный колебательный

917102

ЭО

Все это вместе взятое в конечном итоге сказывается на сложности изготовления этого моста, на точности измерений особенно малых величин образцов материалов на ВЧ и явля55.контур, включенный в первое попереч ное плечо,.один вывод которого подсоединен с общей шине, конденсатор .постоянной емкости и резистор, расположенные в прилегающих к нему предельных ветвях, одни выводы которых соединены со вторыми выводами coofâå÷ñòâåHío генератора напряжения высокой частоты и указателя равновесия, а другие — со вторым выводом о поперечного плеча, конденсатор переменной емкости и катушку индуктивности, образующие параллельный колебательный контур, включенный во вто" рое поперечное плечо, один вывод ко- >5 торого подсоединен к общей шине, два конденсатора постоянной емкости, расположенных в прилегающих к нему предельных ветвях, одни выводы которых соединены со вторыми выводами соответственно генератора напряжения высокой частоты и указателя равновесия, .а другие - со вторым выводом второго поперечного плеча, и зажимы для подключения обьектов измере- 5 ний, расположенные параллельно конденсаторам переменной емкости j2).

Недостатками известного моста являются сложная компенсация частотной зависимости конденсаторов постоянной емкости, поскольку подгонка емKoclей с высокой точностью (а в качестве конденсаторов постоянной емкости используются коаксиальные конденсаторы постоянной емкости) осуще35 ствляется в процессе их изготовления, чfo требует высокой точносTH обработки их поверхностей и строгой выдержки всех размеров, сложность конструкции и малая надежность изза использования в качестве трех элементов продольных плеч коаксиальных конденсаторов постоянной емкости, громоздкое и малоэффективное измерение параметров проводимости

G5 с целью введения поправок во всем диапазоне частот, так как при проведении измерений используют величину активной проводимости на постоянном токе элемента Й, что вносит ошибку измерений порядка 0,1 о 50 значительно увеличивающуюся при измерении малых образцов материалов.

Io f cR сущест венным недостатком известного устройства, ограничивающим его широкое применение.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в мосте .для измерения составляющих. комплексной проводимости на высоких частотах, содержащем генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, одни выводы которых соединены с общей шиной, и двойную Т-образную схему, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости, образующих параллельный колебательный контур, включенный в первое поперечное плечо, один вывод которого соединен с общей шиной, конденсатора постоянной емкости и резистора, расположенных в прилегающих к нему продольных плечах, одни выводы которых соединены со вторыми выводами соответственно генератора напряжения высокой частоты и указателя равновесия, а другие " с вторым выводом поперечного плеча, катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости, образующих паралелльный колебательный контур, включенный во второе поперечное плечо, один вывод которого подсоединен к общей шине, и зажимов для подключения обьектов измерения, расположенных параллельно конденсаторам переменной емкости, продольные плечи, прилегающие ко второму поперечному плечу, содержат резисторы, причем первый вывод первого резистора соединен с вторым выводом генератора напряжения высокой частоты, а второй вывод - с вторым выводом второго поперечного плеча и пеовым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом указателя равновесия.

На чертеже приведена электричес". кая схема моста. . Мост содержит генерат ор 1 напряжения высокой частоты, катушку 2 индуктивности LA, конденсатоР 3 переменной емкости ГА, катушку 4 индуктивности, конденсатор 5 переменной емкости С, резисторы 6 (Q ), 7 (Rg), 8 (R>3, конденсатор 9 постоянной емкости С, указатель 10 равновесия и зажимы 11 и 12 для под917102 (6) CXS=i CS ОАЭ 1

Су

,, р „)4 " т ц г - 1

РОЛ ) 5 клйчения объек ов измерения, объект

13 измерения.

Устройство работает следующим .образом.

Напряжение от генератора 1 пос- . тупает на Т-образную цепь, состоящую из резисторов 6-8, конденсатора 9 постоянной емкости, катушек

2 и 4 индуктивности и двух конденсаторов 3 и 5 переменной емкости. Ука- 1О затель равновесия баланса схемы подключается на выход Т-образной цепи, а объект 13 измерения - параллельно конденсатору 3 переменной емкости, либо - 5. Уравновешивают схему дваж- 15 ды: без образца, т.е. при разомкнутых зажимах. 12-12 и 11-11, и с образцом, конденсаторами 3 и 5 переменной емкости по нулевым показаниям указателя 10 равновесия. Если образец 20 подключается в плечо первого Т-образного моста, то данные для расчета реактивной составляющей отсчитывают по лимбу конденсатора 5 переменной емкости, активной составляющей по 25 лимбу конденсатора 3 переменной емкости, если - в плечо второго Т-об-, разного моста, то — наоборот. Расчет осуществляется либо с использованием формул, либо непосредственно по лимбам конденсаторов 3 и 5, которые в этом .случае должны быть отградуированы в определенных единицах из" мерения в зависимости от характера измеряемой проводимости и плеча подключения образца.

Каждае предельное плечо, содер" жащее резистор, можно представить эквивалентной схемой в виде последовательно включенных сопротивления

ПОстОяннОму току R „ и индукTMBHocTH зашунтированных емкостью С

3 случае метода двух уравновешиваний, предполагая, что резисторы подобраны так, что выполняются равновесия — vGq (1)

С =рС (2)

6 G 61 6ъ где р - коэффициент пропорциональности, равный 1/ 2, G - эффективная проводимость эквивалентной схемы продольно-. го плеча, содержащего резистор, С вЂ” эффективная емкость эквивалентной схемы продольного плеча, содержащего резистор, 6 активную и реактивную составляющие в этом случае определяют из равенств при подключении образца ко второму

Т-образному плечу

ЬСв (31

Гхж а„с се — к„ с

Схд д 9кд а (q) х,-. при подключении образца к первому

Т-образному плечу "А) г

Я =- Р С С д =- m CWV, ÜÑД,.Щ где ЬCä= Cg" С 1 индекс (1) соот ветст вует значению емкост и, необходимой для получения баланса при отключенной неизвестной проводимости, индекс (2) - при включенной.

Отсюда видно, что любая емкость, шунтирующая 4 не влияет на точность измерения активной проводимости, во втором Т-образном мосте. Однако по аналогии с известным она вносит ошибку второго порядка в результаты из мерений в первом T-образном мосте, так как в уравнение (5)Moclc3 для это" го случая входят эффективные значения последовательных сопротивлений

R., и ошибку первого порядка при измерении емкости в обоих плечах моста.

Выбрав параме1ры резисторов из соотношений

2 2 Я.

R = Ро = 2ВОЪ

0л

I ал = ОЗ. = ОЬ 1

С01 = o = Co î= -р= Со

К в этом случае запишется в ви е

А

4ъ aî RîàÃ1 (ро, ) 3 {8)

G G„G < t-„ e

R0> свидет ельствующем о .наличии компенсации частотной зависимости у резисторовв.

91)102

Определение поправок мосча осущесчвляечся аналогичным образом, используя подключение в каждое поперечное плечо .одного и того we образцового сопротивления, а их выражения принимают подобный извесчному мосчу вид

1 . — -=- — (с -,с 1;

Жх

Р.о ко C, -c

1 с . К, " С5 -сЯ

Cj

Однако, осуществляя во всем диапазоне рабочих часчоч равенсчво О1

Jñ,, (с,„-pc„p (9)

I где 1 — собсчвенная индукчивносчь

С конденсачора посчояннои

25. емкосчи, уравнения измерения акчивной cocòàâляющей (3) и (5) окончательно 3 исываючся в виде

R о

30 (= caC> см ог.

„a Ro Rоь 6С

ЫХВ= " (; где, с учетом (9) С = 1--(††- 2 = C с свидечельствующем, что част очная за.висимость продольных элементов поакчически не сказывается на точности измерения активной составляющей в первом T-образном мосте. Все это говорит о чом, ччо схема моста выгодно оч4О личаечся от известного усчройства, так как в ней объединены характерные для него преимущесчва и усчранены присущие ему недостачки.

Во-первых, в чрех продольных пле45 чах моста содержачся резисторы, в качесчве кочорых используючся обычно сопротивления стержневого чипа, ччо значичельно упрощаеч консчрук" цию моста, увеличивает ее надежносчь и уменьшает ее счоимосчь, во"

BTopblx компенсацию часчоч ной зависимосчи сопротивлений продольных плеч осуществлять гораздо проще, для чего достачочно, используя соочветствующую измерительную схему, из .совокупности сопроlивлений выбрачь че, кочорые соочвечсчвуюч условию (/), в" чречьих, если определение поправок для расчеча сосчавляющих комплексной проводимости измери1ельных образцов, вызванных наличием осча очных параметров злеменчов поодольных плеч на ВЧ, осущесчвляечся аналогичным образом с использованием подобных и звесч ному устройсч ву формул, то в случае, когда в эчом не возникает особой необходимосчи, либо когда эчо не эффекчивно, можно осущесчвич ь расчет составляющих, пользуясь номинальными значениями парамечров, входящих в продольные плечи мосча, определенными на НЧ, погрешность измерения при эчом будеч определячься в основном частотной зависимосчью емкости конденсатора продольного плеча, а следовачельно будеч намного ниже, чем в известном устройсчве, поскольку часчочная зависимосчь сопротивления выражена сильнее и вносич большую погрешносчь, нежели часчоч ная зависимосчь емкосчи конденсачора, при зчом чочносчь измерения активной сосчавляющей в первом Т-образном мосче намного выше и на ней практически не сказывается часчотная зависимосчь продольных элеменчов.

В результате всего эчого упрощается конструкция моста и снижается погрешносчь измерения, обусловленная наличием осчачочных параметров элеменчов продольных плеч, ччо увеличиваеч сферу применения мосча.

Формула изобретения

Мосч для измерения сосчавляющих комплексной пооводимосчи на высоких частотах, содержащий генерачор напряжения высокой часчочы, указач ель равновесия, одни выводы которых соединены с общей шиной, и двойную Т-образную схему, состоящую из катушки индукчивносчи и конденсатора переменной емкости, образующих параллельный колебачельный контур, включенный в первое поперечное плечо, один вывод которого соединен с общей шиной, конденсачора посчоянной емкости и резистора, расположенных в прилегающих к нему продольных плечах, одни выводы кочорых соединены с вторыми выводами соочвечсчвенно генератора напряжения высокой

917102

Сост авит ель В. Семенчук

Редактор Н. Гришанова Техред A. Бабинец Корректор Н. Ывыдкая е

Заказ 1881/65 Тираж 719 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

flo делам изобретений и открытий

113035, Москва, 8-35, Раушская наб., д.4/5 филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 частоты и указателя равновесия, а другие - с вторым выводом поперечного плеча, катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости, образующих параллельный колебательный контур, включенный во второе. попе- речное плечо, один вывод которого подсоединен к общей шине, и зажимов для подключения объектов измерения, расположенных параллельно конденса- 1О торам переменной емкости, î т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, продольные плечи, прилегающие к второму поперечному плечу, содержа резисторы, причем первый вывод nepaoro pe10 зистора соединен с вторым выводом генератора напряжения высокой часTolH, а второй вывод - с вторым выводом поперечного плеча и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом указателя равновесия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Кугаевский А.ф. Измерение параметров ферромагнитных материалов на высоких частотах. М., изд-во

Стандартов, 1979, с. 103,105.

2. Патент Великобрит а ни и

8 681927, кл. 37, 1952 (прототип) .