close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7961

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7961
(13) C1
(19)
(46) 2006.04.30
(12)
7
(51) G 01R 27/26
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ИНДУКТИВНОГО ДВУХПОЛЮСНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК,
СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА
(21) Номер заявки: a 20030722
(22) 2003.07.10
(43) 2005.03.30
(71) Заявитель: Совместное общество с
ограниченной ответственностью
"АЯКС" (BY)
(72) Авторы: Молочников Виктор Викторович; Чуевский Олег Филиппович;
Пожиток Игорь Константинович;
Бардиян Елена Ивановна; Хоняк
Сергей Валентинович; Лихачев Павел Александрович; Шляхтин Алексей Владимирович; Тарасюк Владимир Борисович (BY)
(73) Патентообладатель: Совместное общество с ограниченной ответственностью
"АЯКС" (BY)
(56) SU 1126897 A, 1984.
SU 1709240 A1, 1992.
SU 1597782 A1, 1990.
SU 1684727 A1, 1991.
JP 57080569 A, 1982.
JP 4005577 A, 1992.
BY 7961 C1 2006.04.30
(57)
1. Способ измерения параметров индуктивного двухполюсника в диапазоне от низких
до очень высоких частот, при котором образуют измерительный колебательный контур
Фиг. 1
BY 7961 C1 2006.04.30
путем включения измеряемого двухполюсника последовательно с измерительным конденсатором и подают на этот контур сигнал возбуждения, настраивают колебательный контур
в резонанс изменением частоты сигнала возбуждения, определяют частоту резонанса и
напряжение в контуре при резонансе, расстраивают колебательный контур изменением
частоты сигнала возбуждения, определяют частоту расстройки, определяют эффективное
значение индуктивности измеряемого двухполюсника и добротность контура, отличающийся тем, что в качестве измерительного конденсатора используют три образцовых коаксиальных конденсатора с разными значениями емкости, поочередно образуют три
колебательных контура путем включения измеряемого двухполюсника последовательно с
каждым образцовым коаксиальным конденсатором, производят настройку в резонанс и
расстройку каждого упомянутого контура с определением частоты и напряжения в каждом контуре при резонансе и при расстройке, определяют эффективные значения индуктивности LЭ1, LЭ2, LЭ3 измеряемого двухполюсника по выражениям:
L Э1 =
L Э2 =
L Э3 =
1
(2πf 01 )2 C1f 01
1
(1)
(2πf 02 )2 C 2f 02
1
(2πf 03 )2 C 3f 03
,
где f01, f02, f03 - резонансные частоты контура соответственно с первым, вторым и третьим
образцовым коаксиальным конденсатором,
С1f01, С2f02, С3f03 - значения емкости образцовых коаксиальных конденсаторов на частотах f01, f02, f03, которые определяют из выражений:
C1f 01 = C1F
tgβ1
β1
C 2f 02 = C 2 F
tgβ 2
β2
C 3f 03 = C 3F
tgβ 3
,
β3
(2)
где C1F, C2F, C3F - значения емкости образцовых коаксиальных конденсаторов на очень
низкой частоте, которые определяют при калибровке,
β1, β2, β3 - постоянные сдвига фазы образцовых коаксиальных конденсаторов:
β1 = 2π
f 01
l
C0
β 2 = 2π
f 02
l
C0
β 3 = 2π
f 03
l,
C0
(3)
где С0 - скорость света,
l - длина образцовых коаксиальных конденсаторов;
определяют значения добротности Q1, Q2, Q3 каждого контура по выражениям:
2
BY 7961 C1 2006.04.30
Q1 =
U 01 2 f12
(
) − 2
U1
f 01
f12
(
f 01
Q2 =
− 1) 2
U 02 2 f 2 2
(
) − 2
U2
f 02
(
(
Q3 =
2
f22
f 02 2
− 1)
(4)
2
U 03 2 f 3 2
) − 2
U3
f 03
(
f32
f 03
2
,
− 1) 2
где f1, f2, f3 - частоты расстройки,
U01, U02, U03 - напряжения в контуре на резонансных частотах f01, f02, f03,
U1, U2, U3 - напряжения в контуре на частотах расстройки f1, f2, f3;
определяют собственную емкость CL измеряемого двухполюсника по выражению:
CL =
C L1 + C L 2 + C L3
,
3
где
C L1 =
C L2 =
C L3 =
1
1
−
L Э1 L Э 2
(2π) 2 (f 02 2 − f 012 )
1
1
−
L Э 2 L Э3
(5)
(2π) (f 03 − f 02 )
2
2
2
1
1
−
L Э1 L Э3
(2π) 2 (f 03 2 − f 012 )
;
определяют индуктивность L измеряемого двухполюсника из соотношения:
L=
LЭ
1 + (2πf 0 ) 2 L Э C L
,
(6)
где LЭ - любое из LЭ1, LЭ2, LЭ3 соответственно на резонансных частотах f01, f02, f03, измеренное по формуле (1),
f0 - резонансная частота, соответствующая выбранному значению LЭ;
определяют эффективные значения добротности QЭ1, QЭ2, QЭ3 измеряемого двухполюсника, исходя из выражений:
3
BY 7961 C1 2006.04.30
+С
С
1
1
= 1f01 L ( −
)
2π f01 (C
Q
+C )
Q R
C
f01
1f01 L
Э1
1
1f01
1
С
+С
1
L( 1 −
= 2f02
)
Q
C
Q
R
2π f02(C
+C )
Э2
2f02
2
f02
2f02
L
1
(7)
+С
С
1
1
= 3f03 L ( −
),
Q
C
Q R 2π f03(C
+C )
Э3
3f03
3
f03
3f03 L
где Rf01, Rf02, Rf03 - сопротивления собственных активных потерь измерительного блока на
частотах f01, f02 и f03, определяемые выражениями:
Rf01 = c + ef01 + kf012
Rf02 = c + ef02 + kf022
Rf03 = c + ef03 + kf032,
где с, e, k - постоянные коэффициенты, определяемые при калибровке измерительного
блока;
определяют постоянные коэффициенты a, b, d функции QЭ = ф(f) из системы уравнений:
QЭ1 = а + bf01 + df012
QЭ2 = а + bf02 + df022
(8)
2
QЭ3 = а + bf03 + df03 ;
определяют эффективные значения индуктивности LЭ и добротности QЭ измеряемого
двухполюсника на любой заданной частоте f в диапазоне f01 - f03:
L
LЭ =
1 − (2πf ) 2 L C L
(9)
1
Q Э = a + bf + df 2 .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значения емкости образцовых конденсаторов определяют из условий:
1
C
=
1F
(2πfmax ) 2 Lmin
C
3F
=
1
(2πfmin ) 2
(10)
Lmax
=
C
C ,
2F
1F
2F
где Lmin, Lmax - заданный динамический диапазон измеряемых индуктивностей,
fmin, fmax - заданный диапазон частот, при котором необходимо производить измерения параметров индуктивного двухполюсника.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что расстройку колебательного контура
производят до уровня напряжения в контуре, равного от 0,1 до 0,3 напряжения в контуре
при резонансе.
4. Устройство для измерения параметров индуктивного двухполюсника в диапазоне от
низких до очень высоких частот, содержащее измерительный блок (1) с клеммами для
подключения измеряемого двухполюсника, генератор (2) сигнала возбуждения измерительного блока (1), блок (3) настройки и индикации результатов измерения, первый вход
которого подключен к выходу генератора (2), второй вход - к выходу измерительного
блока (1), а выход - к входу измерительного блока (1), отличающееся тем, что блок (3)
настройки и индикации результатов измерения содержит широкополосный усилитель (4) с
автоматическим поддержанием постоянным выходного напряжения, вход которого является первым входом блока (3), первый широкополосный усилитель (5) с дискретно изменяющимся коэффициентом усиления, вход которого подключен к выходу широкополосC
4
BY 7961 C1 2006.04.30
ного усилителя (4), а выход является выходом блока (3) и соединен со входом второго
широкополосного усилителя (6) с дискретно изменяющимся коэффициентом усиления,
выход которого подключен к управляющему входу широкополосного усилителя (4), широкополосный усилитель (7), вход которого является вторым входом блока (3), а выход
подключен ко входу детектора (8), выход которого подключен ко входу микропроцессорного контроллера (9), выход которого соединен с цифровым индикатором (10), управляющие входы генератора (2) сигнала возбуждения измерительного блока и широкополосных усилителей (5) и (6) соединены соответственно с выходами а, b, с микропроцессорного контроллера (9).
5. Измерительный блок устройства по п. 4, измерительный элемент которого выполнен в виде конденсатора, отличающийся тем, что содержит три образцовых коаксиальных конденсатора (11, 12, 13), выполненных с разными значениями емкости, внутренний
электрод каждого коаксиального конденсатора соединен с одной из клемм (14, 15, 16) для
подключения одного полюса измеряемого двухполюсника, а также с первыми выводами
входных (17, 18, 19) и выходных (20, 21, 22) конденсаторов связи, клемма (23) для подключения второго полюса измеряемого двухполюсника и внешние электроды образцовых
коаксиальных конденсаторов (11, 12, 13) соединены с корпусом, вторые выводы всех
входных конденсаторов связи соединены с входом измерительного блока, вторые выводы
всех выходных конденсаторов связи соединены с входами блока развязки (24), выход которого соединен с выходом измерительного блока.
6. Способ калибровки измерительного блока по п. 5, при котором измеряют значения
емкостей C1F, С2F и C3F образцовых коаксиальных конденсаторов (11, 12, 13) на очень низкой частоте F и записывают указанные значения в постоянное запоминающее устройство
контроллера устройства по п. 4, выбирают три образцовые меры добротности из условия,
что каждая, будучи включенной с одним из образцовых конденсаторов, образует колебательный контур на одной из резонансных частот: минимальной fмин, средней fcp или максимальной fмакс, указанные меры добротности поочередно подключают к клеммам (14-23,
15-23, 16-23) измерительного блока, предназначенным для подключения измеряемого
двухполюсника, образуя тем самым упомянутые колебательные контуры, измеряют добротность каждого контура по выражениям (4), вычисляют значения собственных сопротивлений активных потерь измерительного блока по выражениям:
R
fmin
R
R
=
Q
Q
1
кfmin ofmin
−Q
+С
Q
2πfmin (С
)
ofmin
кfmin
1fmin
L01
Q
1
кfср ofcp
fcp Q
−Q
+С
2πfcp (C
)
ofcp кfср
2fcp L02
=
=
Q
Q кfmax Q ofmax
fmax Q
1
Q
2πfmax C
С
)
ofmax − кfmax
3fmax + L03
(11)
,
где значения С1fmin, C2fcp, C3fmax определяют по выражениям (2),
Qkfmin, Qkfcp Qкfmax - измеренные значения добротности контуров по выражениям (4),
CL01, CL02, CL03 - собственные емкости образцовых мер добротности,
Qofmin, Qofcp Qofmax - величины добротности образцовых мер без учета их собственных
емкостей на частотах fмин, fcp и fмакс;
определяют постоянные коэффициенты с, e, k из системы уравнений:
Rfmin = c + efmin + kfmin2
(12)
Rfcp = c + efcp + kfcp2
2
Rfmax = c + efmax + kfmax ;
заносят коэффициенты с, e, k в постоянное запоминающее устройство контроллера
устройства по п. 4.
5
BY 7961 C1 2006.04.30
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано
для измерения в диапазоне от низких до очень высоких частот параметров индуктивных
двухполюсников, представляемых последовательно-параллельной схемой замещения.
Известен способ измерения параметров индуктивного двухполюсника в широком диапазоне частот, а именно, эффективных значений индуктивности и добротности [1], при
котором:
образуют измерительный колебательный контур путем включения измеряемого двухполюсника последовательно с основным измерительным конденсатором переменной емкости и подают на этот контур сигнал возбуждения,
настраивают упомянутый колебательный контур в резонанс на частоте измерения изменением частоты сигнала возбуждения и емкости измерительного конденсатора,
определяют частоту и напряжение в контуре при резонансе,
расстраивают колебательный контур изменением частоты сигнала возбуждения до
уровня 0,707 от значения напряжения при резонансе,
определяют частоту расстройки,
определяют эффективное значение индуктивности измеряемого двухполюсника по
формуле:
1
,
LЭ =
(2πf 01 )2 C К
где СК - значение емкости основного измерительного конденсатора переменной емкости
на очень низкой частоте,
f01 - частота резонанса измерительного колебательного контура,
определяют добротность измерительного колебательного контура по формуле:
f
Q = 01 ,
2∆f1
где ∆f1 = f01-fp1,
fp1 - частота расстройки,
для определения эффективной добротности двухполюсника (т.е. добротности с учетом
его собственной емкости) к основному измерительному конденсатору подключают
дополнительный конденсатор переменной емкости со значением емкости Cg, равной
Cg = nСк, (n ≤ 0,1), при этом суммарная емкость измерительного колебательного контура
изменяется в (1 + n) раз,
вторично настраивают измерительный колебательный контур в резонанс с резонансной частотой f02 изменением частоты сигнала возбуждения,
определяют эффективное значение добротности измеряемого двухполюсника по формуле:
∆f 2
,
Q эф =
n∆f1
где ∆f2 = f01-f02.
Известный способ измерения параметров индуктивного двухполюсника осуществляется устройством, содержащим измерительный блок с двумя перестраиваемыми измерительными конденсаторами, основным и дополнительным, а также генератор сигнала
возбуждения и блок настройки и индикации результатов измерения [1].
Основным недостатком известных способа и устройства для измерения параметров
индуктивного двухполюсника является большая погрешность измерения.
Большая погрешность измерения добротности обусловлена малой величиной расстройки колебательного контура (до уровня 0,707 от напряжения резонанса). Например,
при Q = 1000, из выражения:
6
BY 7961 C1 2006.04.30
f0
,
2∆f
∆f = 5⋅10-4f0 и при абсолютной погрешности установки и измерения частоты εf = 10-4f
получим погрешность измерения добротности
εf
⋅ 100% = 40%.
δQ = 2
∆f
Большая погрешность измерения эффективного значения индуктивности обусловлена
тем, что известные способ и устройство не позволяют учесть собственную индуктивность
LC измерительных конденсаторов.
Так, при СК = 250 пФ, Lc = 1,5·10-9 Гн, на частоте f = 50 МГц из выражения:
CК
C КЭ =
1 − (2πf )2 ⋅ C К ⋅ L C
имеем δСЭ = 3,8 %.
Другим недостатком известного способа и устройства является то, что нельзя производить измерение добротности более 1000 ед.
Еще один недостаток определяется наличием механически перестраиваемых измерительных конденсаторов, что не позволяет автоматизировать процесс измерения.
Задача изобретения - создание такого способа и устройства для измерения эффективных значений индуктивности и добротности индуктивного двухполюсника, которые по
сравнению с известным уровнем техники позволяют повысить точность измерения в широком диапазоне частот и обеспечивают автоматизацию измерения.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения параметров индуктивного двухполюсника, при котором:
образуют измерительный колебательный контур путем включения измеряемого двухполюсника последовательно с измерительным конденсатором и подают на этот контур
сигнал возбуждения,
настраивают упомянутый колебательный контур в резонанс изменением частоты сигнала возбуждения,
определяют частоту резонанса и напряжение в контуре при резонансе,
расстраивают колебательный контур изменением частоты сигнала возбуждения,
определяют частоту расстройки,
определяют эффективное значение индуктивности измеряемого двухполюсника и добротность контура,
в соответствии с изобретением:
в качестве измерительного конденсатора используют три образцовых коаксиальных
конденсатора с разными значениями емкости,
поочередно образуют три колебательных контура путем включения измеряемого двухполюсника последовательно с каждым упомянутым образцовым конденсатором,
производят настройку в резонанс и расстройку каждого упомянутого контура с определением частот и напряжений в каждом контуре при резонансе и расстройке,
определяют эффективное значение индуктивности LЭ1, LЭ2, LЭ3 измеряемого двухполюсника и его добротность Q1, Q2, Q3 в каждом контуре по формулам:
1
L Э1 =
(2πf 01 )2 C1f 01
Q=
LЭ2 =
L Э3 =
1
(2πf 02 )2 C 2f 02
1
(2πf 03 )2 C3f 03
7
},
(1)
BY 7961 C1 2006.04.30
где f01, f02, f03 - резонансные частоты контуров соответственно с первым, вторым и третьим образцовым коаксиальным конденсатором;
C 1 f 01 , С 2 f 02 , С 3 f 03 - значения емкости образцовых коаксиальных конденсаторов на
частотах f01, f02, f03, которые определяют из выражений:
tgβ1
C1f 01 = C1F
β1
C 2f 02 = C 2F
tgβ 2
β2
C 3f 03 = C 3F
tgβ 3
β3
},
(2)
где β1, β2, β3 - постоянные сдвига фазы образцовых коаксиальных конденсаторов;
C1F, C2F, C3F - значения емкости образцовых коаксиальных конденсаторов на очень
низкой частоте, которые определяют при калибровке,
f
β1 = 2π 01 l
C0
f
β 2 = 2π 02 l
},
(3)
C0
f
β 3 = 2π 03 l
C0
где С0 - скорость света;
l - длина образцовых коаксиальных конденсаторов,
2
Q1 =
 U 01 
f2

 − 1
2
 U1  f 01
 f12



−
1
f 2 
 01

2
2
Q2 =
 U 02 
f 2

 − 2
2
 U 2  f 02
 f22



−
1
f 2 
 02

2
},
(4)
2
Q3 =
 U 03 
f 2

 − 3
2
 U 3  f 03
 f32


− 1
2
f

 03

2
где f1, f2, f3 - частоты расстройки;
U01, U02, U03 - напряжения в контуре на резонансных частотах f01, f02, f03;
U1, U2, U3 - напряжения в контуре на частотах расстройки f1, f2, f3;
определяют собственную емкость CL измеряемого двухполюсника из выражения
C + C L 2 + C L3
,
C L = L1
3
8
BY 7961 C1 2006.04.30
где
C L1 =
C L2 =
C L3 =
1
1
−
L Э1 L Э 2
(2π)2 (f 02 2 − f 012 )
1
1
−
L Э 2 L Э3
(2π)
(f
− f 02
1
1
−
L Э1 L Э3
2
2
03
2
)
}
(5)
(2π)2 (f 032 − f 012 )
определяют индуктивность L измеряемого двухполюсника из выражения:
LЭ
L=
,
(6)
1 + (2πf 0 ) 2 L Э C L
где LЭ - любое из LЭ1, LЭ2, LЭ3 соответственно на резонансных частотах f01, f02, f03;
f0 - резонансная частота, соответствующая выбранному значению LЭ;
определяют эффективные значения добротности QЭ1, QЭ2, QЭ3 измеряемого двухполюсника по формулам:

С
+ CL  1
1
1


= 1f 01
−
Q Э1
C1f 01  Q1 R f 01 2πf 01 (C1f 01 + C L ) 

С
+ CL  1
1
1


= 2f 02
−
QЭ2
C 2f 02  Q 2 R f 02 2πf 02 (C 2f 02 + C L ) 
},
(7)

С
+ CL  1
1
1


= 3f 03
−
Q Э3
C 3f 03  Q 3 R f 03 2πf 03 (C 3f 03 + C L ) 
где Rf01, Rf02, Rf03 - сопротивления собственных активных потерь измерительного блока на
частотах f01, f02 и f03, определяемые выражением:
Rf = c + ef + kf2,
где с, е, k - постоянные коэффициенты, определяемые при калибровке устройства,
определяют постоянные коэффициенты a, b, d функции QЭ = ф(f) из системы уравнений:
QЭ1 = a + bf01 + df012
QЭ2 = a + bf02 + df022 },
(8)
2
QЭ3 = a + bf03 + df03
эффективные значения индуктивности LЭ и добротности QЭ измеряемого двухполюсника
на любой заданной частоте f в диапазоне частот f01-f03 определяют с помощью контроллера по формулам:
L
LЭ =
}.
(9)
1 − (2πf ) 2 LC L
QЭ = a + bf + df2
В способе измерения параметров индуктивного двухполюсника в соответствии с изобретением преимущественной является величина упомянутой расстройки измерительного
контура в пределах от 0,1 до 0,3 от напряжения в контуре при резонансе.
Емкости CF1, СF2, СF3 из образцовых коаксиальных конденсаторов выбирают, исходя
из заданного динамического диапазона измерения индуктивности и заданного диапазона
частот, в котором необходимо проводить измерения, используя следующие соотношения:
9
BY 7961 C1 2006.04.30
C1F =
C 3F =
1
(2πf макс ) 2 L мин
1
},
(10)
(2πf мин ) L макс
2
С 2 F = C1F C 3F
где Lмин, Lмакс - заданный диапазон измеряемых величин индуктивности;
fмин, fмакс - минимальная и максимальная частоты, определяющие диапазон частот, в
котором необходимо проводить измерения параметров индуктивного двухполюсника.
Поставленная задача решается также устройством для осуществления выше описанного способа измерения параметров индуктивного двухполюсника, содержащем измерительный блок (1) с клеммами для подключения измеряемого двухполюсника, генератор
(2) сигнала возбуждения измерительного блока (1), блок (3) настройки и индикации результатов измерения, первым входом подключенный к выходу генератора (2), вторым - к
выходу измерительного блока (1), а выходом - к входу измерительного блока (1), в котором, согласно изобретению, блок (3) содержит широкополосный усилитель (4) с автоматическим поддержанием постоянным выходного напряжения, вход которого является
первым входом блока (3), два последовательно включенных широкополосных усилителя
(5) и (6) с дискретно изменяющимися коэффициентами усиления, вход широкополосного
усилителя (5) подключен к выходу широкополосного усилителя (4), а выход - к выходу
блока (3) и ко входу широкополосного усилителя (6), выход которого подключен к управляющему входу широкополосного усилителя (4), блок (3) также содержит последовательно включенные широкополосный усилитель (7), детектор (8), микропроцессорный контроллер (9) и цифровой индикатор (10), при этом вход широкополосного усилителя (7) является вторым входом блока (3), а управляющие выходы а, b, с микропроцессорного контроллера (9) соединены с управляющими входами генератора (2) и усилителей (5) и (6).
При этом в соответствии с изобретением измерительный блок устройства содержит
три образцовых коаксиальных конденсатора (11, 12, 13), имеющих разные значения емкости, высокопотенциальный вывод (внутренний электрод) каждого упомянутого коаксиального конденсатора соединен с одной из клемм (14, 15, 16) для подключения одного
полюса измеряемого двухполюсника, а также с первыми выводами входных (17, 18, 19) и
выходных (20, 21, 22) конденсаторов связи, а вторая клемма (23) для подключения второго полюса измеряемого двухполюсника и внешние электроды конденсаторов (11, 12, 13)
соединены с корпусом, вторые выводы всех входных конденсаторов связи соединены с
входом измерительного блока, вторые выводы всех выходных конденсаторов связи соединены с входами блока развязки (24), выход которого соединен с выходом измерительного блока.
Поставленная задача достигается также способом калибровки измерительного блока,
который включает:
измерение емкостей C1F, C2F и С3F образцовых конденсаторов (11, 12, 13) измерительного блока (1) на очень низкой частоте низкочастотным измерителем емкости, значения
которых записывают в ПЗУ контроллера описанного выше устройства измерения параметров индуктивного двухполюсника,
определение сопротивления собственных активных потерь измерительного блока с
помощью трех образцовых мер добротности, с которыми колебательный контур измерительного блока резонирует на одной из частот: минимальной fмин, средней fcp и максимальной fмакс диапазона частот в котором необходимо проводить измерение параметров
индуктивного двухполюсника,
указанные меры добротности поочередно подключают к клеммам (14, 15, 16) измерительного блока (1), предназначенным для подключения измеряемого двухполюсника,
10
BY 7961 C1 2006.04.30
определяют добротность каждого контура по формулам (4) по аналогии Q1, Q2 и Q3,
вычисляют значения собственных сопротивлений активных потерь измерительного
блока по формулам:
Q
Q
1
R fмин = кfмин o fмин
Q ofмин − Q кfмин 2πf мин (С1fмин + С L01 )
R fср =
Q кfср Q оfср
(
1
Q ofср − Q кfср 2πf ср С 2fср + С L02
R fмакс =
)
},
(11)
Q кfмакс Q ofмакс
1
Q оfмакс − Q кfмакс 2πf макс (С 3fмакс + С L 03 )
где значения C1fмин, С2fср, Сзfмакс определяют по выражениям (2) по аналогии с С1f01, С2f02 и
С3f03;
Qкfмин, Qкfcp, Qкfмакс - измеренные значения добротности контуров по формулам (4) по
аналогии с Q1, Q2 и Q3;
CL01, CL02, СL03 - собственные емкости образцовых мер добротности (паспортные данные);
Qofмин, Qofcp, Qofмакс - величины добротности образцовых мер без учета их собственных
емкостей на частотах fмин, fcp и fмакс (паспортные данные);
определяют постоянные коэффициенты с, е, k из системы уравнений
Rfмин = с +еfмин + kfмин2
},
(12)
Rfср = с +еfср + kfср2
2
Rfмакс = с +еfмакс + kfмакс
заносят коэффициенты с, е, k в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) контроллера
упомянутого выше устройства измерения параметров индуктивного двухполюсника.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, на фиг. 2 - схема измерительного
блока, на фиг. 3 - резонансная кривая сигнала на выходе измерительного блока как функция U = Ф(f).
Устройство содержит измерительный блок (1) с клеммами для подключения измеряемого двухполюсника, генератор (2) сигнала возбуждения измерительного блока (1), блок
(3) настройки и индикации результатов измерения, первый вход которого подключен к
выходу генератора (2), второй вход - к выходу измерительного блока (1), а выход - ко входу измерительного блока (1), блок (3) содержит широкополосный усилитель (4) с автоматическим поддержанием постоянным выходного напряжения, вход которого является
первым входом блока (3), первый широкополосный усилитель (5) с дискретным изменением коэффициента усиления, вход которого подключен к выходу широкополосного усилителя (4), а выход - ко входу измерительного блока (1) и ко входу второго широкополосного усилителя (6) с дискретным изменением коэффициента усиления, выход
которого подключен к управляющему входу широкополосного усилителя (4), широкополосный усилитель (7), вход которого является вторым входом блока (3), а выход подключен ко входу детектора (8), выход детектора (8) подключен ко входу микропроцессорного
контроллера (9), к выходу которого подключен цифровой индикатор (10), управляющие
входы генератора (2) и широкополосных усилителей (5) и (6) соединены с выходами a, b и
с микропроцессорного контроллера (9).
Измерительный блок устройства (1) содержит три образцовых коаксиальных конденсатора (11, 12, 13), имеющих разные значения емкости, высокопотенциальный вывод
внутреннего электрода каждого упомянутого коаксиального конденсатора соединен с одной из высокопотенциальных клемм (14, 15, 16) для подключения измеряемого двухпо11
BY 7961 C1 2006.04.30
люсника, а также с первыми выводами входных (17, 18, 19) и выходных (20, 21, 22) конденсаторов связи, а низкопотенциальная клемма (23) для подключения измеряемого двухполюсника и внешние электроды конденсаторов (11, 12, 13) соединены с корпусом,
вторые выводы всех входных конденсаторов связи соединены с входом измерительного
блока, вторые выводы всех выходных конденсаторов связи (20, 21, 22) соединены со входом блока развязки (24), выход которого соединен с выходом измерительного блока.
Устройство работает в трех режимах:
в режиме калибровки измерительного блока,
в режиме автоматического измерения параметров индуктивного двухполюсника на
трех частотах f01, f02 и f03, определяемых тремя образцовыми коаксиальными конденсаторами измерительного блока,
в режиме определения параметров двухполюсника на любой заданной частоте в диапазоне частот f01-f03.
В режиме калибровки поочередно к клеммам (14, 15, 16) коаксиальных конденсаторов
(11, 12, 13) подключают измеритель емкости, обеспечивающий измерение емкости с погрешностью не более ± 0,1 % на очень низкой частоте (1-10 кГц) и измеряют значения емкостей указанных конденсаторов. Отключают упомянутый измеритель емкости от
устройства, а измеренные значения емкости заносят в ПЗУ контроллера (9) устройства.
выбирают три образцовые меры добротности из условия, что каждая, будучи включенной с одним из образцовых конденсаторов, образует колебательный контур на одной
из резонансных частот: минимальной fмин, средней fcp или максимальной fмакс,
указанные меры добротности поочередно подключают к клеммам (14, 15, 16) измерительного блока по п. 5, предназначенным для подключения измеряемых двухполюсников,
образуя тем самым упомянутые контуры,
устанавливают режим поиска и измерения резонансной частоты и добротности колебательных контуров,
измеряют добротность каждого контура по формулам (4),
вычисляют значения собственных сопротивлений активных потерь измерительного
блока по формулам (11),
вычисляют постоянные коэффициенты с, e, k из системы уравнений (12)
полученные значения коэффициентов с, e, k заносят в ПЗУ контроллера устройства по
п. 4.
На этом заканчивается режим калибровки.
В режиме измерения измеряемый двухполюсник одним полюсом подключают к клемме 23 измерительного блока (1), а второй полюс поочередно подключают к упомянутым
клеммам (14, 15, 16) этого блока, с которыми соединены коаксиальные конденсаторы (11,
12, 13), запускают автоматический режим измерения, при котором генератор (2), управляемый контроллером (9), сканирует частоту сигнала возбуждения до достижения (на
кривой U = Ф(f)) максимального значения выходного напряжения U0 колебательного контура измерительного блока (1), которое после усиления широкополосным усилителем (7)
и детектирования детектором (8) поступает в контроллер (9) и запоминается. В контроллере (9) также запоминается резонансная частота f0 колебательного контура измерительного блока (1).
После того как величины резонансной частоты f0 и напряжения U0 на контуре при резонансе занесены в контроллер (9), генератор (2), управляемый контроллером (9) изменяет
частоту сигнала возбуждения до значения f, при которой в контуре устанавливается заданное напряжение U. При этом, в зависимости от добротности контура, напряжение расстройки U задается равным (0,1-0,3) от напряжения в контуре при резонансе.
Широкополосный усилитель (4), широкополосные усилители (5) и (6) с дискретным
изменением коэффициента усиления, управляемые контроллером (9), обеспечивают ре12
BY 7961 C1 2006.04.30
жим работы измерительного блока (1), при котором максимальное напряжение в колебательном контуре измерительного блока (1) не превышает заданное максимальное напряжение при измерении добротности в пределах Q = (10-10000). При измерении параметров
полупроводниковых приборов, например варикапов, напряжение в контуре не должно
превышать 300 мВ. Указанные усилители обеспечивают также поддержание постоянным
напряжения сигнала возбуждения при поиске резонанса и расстройке колебательного контура по частоте.
Конденсаторы (17, 18, 19) и (20, 21, 22) связи измерительного блока (1) обеспечивают
его развязку от внешних цепей, т.е. обеспечивают значительное уменьшение внесения в
колебательный контур измерительного блока (1) активных и реактивных составляющих
внешних цепей. При этом блок развязки (24), являясь буфером между измерительным
блоком (1) и измерительной частью устройства, включающей широкополосный усилитель
(7), детектор (8), контроллер (9) и цифровой индикатор (10), дополнительно уменьшает
внесение активных потерь в измерительный блок (1) со стороны измерительной части
устройства.
После определения значений
f01,
U01,
fl,
U1,
f02,
U02,
f2,
U2
f03,
U03,
f3,
U3
контроллер (9) в соответствии с заданной программой определяет:
эффективные значения индуктивностей LЭ1 LЭ2, LЭ3 и добротность каждого колебательного контура Q1, Q2, Q3 на частотах f01, f02, f03 по формулам (1)-(4);
параметры измеряемого двухполюсника: собственную емкость CL, и индуктивность L
по формулам (5) и (6);
эффективные значения добротности QЭ1, QЭ2, QЭ3 измеряемого двухполюсника по
формуле (7);
постоянные коэффициенты a, b, d функции QЭ = Ф(f) из системы уравнений (8), при
этом коэффициенты a, b, d заносятся и запоминаются в ОЗУ контроллера;
параметры LЭ1 LЭ2, LЭ3, QЭ1, QЭ2, QЭ3, L и CL после определения автоматически высвечиваются на экране (10) устройства.
В режиме определения параметров измеряемого двухполюсника на любой заданной
частоте f, находящейся в диапазоне f01-f03 и отличной от частот f01, f02, f03;
с помощью органов управления задают на табло устройства интересующее значение
частоты f и заносят его в ОЗУ контроллера (9);
после команды отсчета, по команде с органов управления контроллер (9) определяет
по формуле (9) эффективные значения индуктивности LЭ и добротности QЭ на заданной
частоте f, которые высвечиваются на экране (10) устройства.
В отличие от прототипа, в предлагаемом в соответствии с изобретением способе и
устройстве для измерения параметров индуктивного двухполюсника эти параметры предварительно определяют на нескольких (трех) фиксированных частотах с помощью включения в измерительный контур неперестраиваемых конденсаторов, выполненных в виде
коаксиальных длинных линий. Это позволяет значительно повысить точность измерения,
поскольку емкость указанных конденсаторов может быть предварительно точно определена на любой частоте.
Последующий пересчет измеренных параметров двухполюсника применительно к
любой частоте производится по строгим математическим соотношениям, учитывающим
остаточные параметры измерительного контура (сопротивление активных потерь и реактивные сопротивления) как собственные, так и вносимые в него внешними цепями, и, следовательно, такой пересчет не дает дополнительной погрешности.
Таким образом, преимуществом способа и устройства измерения параметров индуктивного двухполюсника в соответствии с изобретением является значительное повышение
точности измерения.
13
BY 7961 C1 2006.04.30
Другим преимуществом является автоматизация всех трудоемких измерительных операций.
Например, на практике для упрощения ручной операции определения добротности
использована упрощенная формула:
f
Q = 0 , выведенная из формулы:
2∆f
 U0

 U
Q=
2
f2

 −
 f02
 f2


−1
f 2 
 0

2
.
Погрешность измерения добротности определяют из выражения:
2

 

Nu 2
4

 +

N
f
δ
δQ =
δ
u
  N 2 −1 N 2 −1 
N 2 −N 2
f
ω

  u
 u
(
)(
2
)
,
(13)
U
,
U0
U0 - напряжение в контуре при резонансе;
U - напряжение в контуре при расстройке
f
Nω = 0
f
f0 - резонансная частота;
f - частота расстройки.
При этом из выражения (13)
где N u =
2
2
 2Q 2 − 1 
Q2 − Nu

 −
=
±
.
2
 2Q 2 
2Q 2
Q2
f0


1
Таким образом, в прототипе при Q = 1000, N u =
= 1,414
0,707
f2
2Q 2 − 1
f
= 1,0005 и соответственно δQ = 40 %.
f0
В предлагаемом устройстве при Q = 1000, Nu = 10
f
= 1,005 и соответственно δQ = 0,11 %.
f0
Из выражения для определения индуктивности
1
LЭ =
(2πf )2 C К
погрешность составляет:
δL Э = δ 2 С К + (2δf )2 .
Как отмечалось выше, за счет неучтенной собственной индуктивности измерительного конденсатора погрешность определения емкости этого конденсатора на высоких частотах может достичь величины 4,8 % и при δf = 0,01 % погрешность измерения индуктивности будет достигать δL = 4,8 % в отличие от предлагаемого устройства при δСк = 0,1 %,
δL = 0,l %.
14
BY 7961 C1 2006.04.30
Отмеченное выше подтверждается на практике сравнением измеренных значений L
индуктивного двухполюсника на очень низкой частоте F = (1-10) кГц и на высокой
f = 50 МГц.
Как известно, на очень низкой частоте емкостное сопротивление собственной емкости
индуктивного двухполюсника значительно больше индуктивного сопротивления, и эквивалентная схема такого двухполюсника имеет вид
Исходя из этого, на очень низких частотах практически необходимо определить только индуктивность L, поскольку для этих частот LЭ = L.
Например, у индуктивного двухполюсника со значениями индуктивности и емкости:
L = 87⋅10-3 Гн, С = 17⋅10-12 Ф на частоте F = 10 кГц,
емкостное и индуктивное сопротивления равны:
XL = 2π·10⋅103⋅87⋅10-3 = 5,5·103 Ом
X
1
= 936,2 ⋅ 10 3 Ом, т.е. L = 170,2 .
XC =
3
−12
XC
2π ⋅ 10 ⋅ 10 ⋅ 17 ⋅ 10
На высоких частотах, например на частоте 100 кГц, тот же индуктивный двухполюсник имеет соотношение указанных величин
X L 93,6 ⋅10 3
=
= 1,7
XC
55 ⋅10 3
и эквивалентное значение индуктивности определяется выражением:
L
LЭ =
.
1 − (2πf )2 LC L
Как видно из выражений (1), (5), (6) погрешность измерения L определяется погрешностью измерения f, LЭ, CL. При этом разброс значений L, измеренных низкочастотным
измерителем LCR на частоте 10 кГц и устройством в соответствии с изобретением на высоких частотах от 50 кГц до 50 МГц, не превышает ± 0,2 %, что говорит о правильном выборе метода измерения параметров L и CL на высоких частотах. Правильность выбора
метода измерения добротности предлагаемым устройством подтверждается погрешностью
измерения образцовых мер добротности Q-0272-2 1-го разряда, которая не превышает погрешности аттестации указанных мер, т.е. ± 1,0 %.
По сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве нет механически перестраиваемых элементов и поэтому нет препятствий для автоматизации измерений, в частности,
автоматизированы трудоемкие операции настройки и расстройки колебательного контура
измерительного блока в резонанс и все вычислительные операции.
Источники информации:
1. А.с. СССР 1126897, 1981 (прототип).
15
BY 7961 C1 2006.04.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
16
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
266 Кб
Теги
by7961, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа