close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY8496

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8496
(13) C1
(19)
(46) 2006.10.30
(12)
7
(51) G 01R 27/26
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЕМКОСТНОГО ДВУХПОЛЮСНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК,
СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА
(21) Номер заявки: a 20040104
(22) 2004.02.18
(43) 2005.09.30
(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 (BY)
(73) Патентообладатель: Совместное общество с ограниченной ответственностью
"АЯКС" (BY)
(56) SU 1126897 A, 1984.
SU 1684727 A1, 1991.
SU 1709240 A1, 1992.
BY 8496 C1 2006.10.30
(57)
1. Способ измерения параметров емкостного двухполюсника в диапазоне частот от
низких до очень высоких, заключающийся в том, что образуют измерительный колебательный контур путем включения измеряемого емкостного двухполюсника последовательно с измерительным реактивным элементом измерительного блока и подают на этот
Фиг. 1
BY 8496 C1 2006.10.30
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 емкости
измеряемого емкостного двухполюсника и добротность контура, отличающийся тем, что
в качестве измерительного реактивного элемента используют три образцовые катушки
индуктивности с различными значениями индуктивности, поочередно образуют первый,
второй и третий колебательный контур путем включения измеряемого двухполюсника последовательно с каждой образцовой катушкой индуктивности, производят настройку в
резонанс и расстройку каждого упомянутого контура и определяют частоту и напряжение
в каждом контуре при резонансе и при расстройке, определяют эффективное значение емкости CЭ1, CЭ2, CЭ3 измеряемого двухполюсника в каждом контуре и добротность QK1, QK2,
QK3 каждого контура из соотношений:
1
C Э1 =
− C LK1
(2πf 01 )2 L K1
1
CЭ2 =
− C LK 2
(1)
(2πf 02 )2 L K 2
1
C Э3 =
− C LK 3 ,
(2πf 03 )2 L K3
где f01, f02, f03 - резонансная частота первого, второго и третьего контура соответственно;
LK1, LK2, LK3 - значение индуктивности первой, второй и третьей образцовой катушки
индуктивности соответственно, определяемое при калибровке измерительного блока;
CLK1, CLK2, CLK3 - значение собственной емкости первой, второй и третьей катушки
индуктивности соответственно, определяемое при калибровке измерительного блока,
2
Q K1 =
2
 U 01  f 01
 −

f12
 U1 
2
 f 01



−
1
 f2

 1

2
2
QK2 =
2
 U 02  f 02
 −

f 22
 U2 
2
 f 02



−
1
 f2

 2

2
(2)
2
Q K3 =
2
 U 03  f 03

 −
f 32
 U3 
,
2
2
 f 03


− 1
 f2

 3

где U01, U02, U03 - напряжение при резонансе в первом, втором и третьем контуре соответственно;
U1, U2, U3 - напряжение при расстройке в первом, втором и третьем контуре соответственно;
f1, f2, f3 - частота расстройки первого, второго и третьего контура соответственно,
2
BY 8496 C1 2006.10.30
определяют эффективное значение фактора потерь ДЭ1, ДЭ2, ДЭ3 измеряемого емкостного двухполюсника в каждом контуре из соотношений:
С + С LK1  1
1 


Д Э1 = Э1
−
С Э1
 Q K1 Q LK1 
Д Э2 =
С Э 2 + С LK 2  1
1 


−
СЭ2
 Q K 2 Q LK 2 
(3)
С Э3 + С LK 3  1
1 

,
−
С Э3
 Q K 3 Q LK3 
где QLK1, QLK2, QLK3 - добротность первой, второй и третьей образцовой катушки индуктивности соответственно, определяемая по формуле:
QLKf = m + ef + kf2,
(4)
где m, e, k - коэффициенты, определяемые при калибровке измерительного блока, определяют постоянные коэффициенты a, b, c из системы уравнений:
Д Э3 =
2
С Э1 = a + bf 01 + cf 01
2
С Э 2 = a + bf 02 + cf 02
(5)
2
C Э3 = a + bf 03 + cf 03
,
определяют постоянные коэффициенты a', b', c' из системы уравнений:
2
Д Э1 = a ′ + b′f 01 + c′f 01
2
Д Э 2 = a ′ + b′f 02 + c′f 02
(6)
2
Д Э3 = a ′ + b′f 03 + c′f 03
,
определяют эффективное значение емкости CЭf и фактора потерь ДЭf измеряемого емкостного двухполюсника на любой заданной частоте f в пределах f01-f03 по формулам:
C Эf = a + bf + cf 2
(7)
Д Эf = a ′ + b′f + c′f 2 .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение индуктивности первой, второй и
третьей образцовой катушки индуктивности выбирают из условия:
1
L K1 =
(2πf макс )2 С мин
1
(8)
L K3 =
2
(2πf мин ) С макс
L K 2 = L K1L K 3 ,
где fмакс, fмин - максимальное и минимальное значение частот в заданном диапазоне
частот измерения параметров емкостного двухполюсника;
Смин, Смакс - минимальное и максимальное значения емкости измеряемого двухполюсника в заданном диапазоне измерения.
3. Способ по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что расстройку каждого колебательного
контура производят до уровня напряжения в контуре, соответствующего 0,1-0,3 напряжению в контуре при резонансе.
4. Устройство для измерения параметров емкостного двухполюсника в диапазоне частот от низких до очень высоких, 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
3
BY 8496 C1 2006.10.30
которого подключен к выходу генератора (2), второй вход - к выходу измерительного
блока (1), а выход - к входу измерительного блока (1), отличающееся тем, что измерительный блок (1) содержит измерительный реактивный элемент в виде трех образцовых
катушек индуктивности с различными значениями индуктивности, 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 широкополосного 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) и широкополосных усилителей (5) и (6) соединены соответственно с выходами
a, b, c микропроцессорного контроллера (9).
5. Измерительный блок устройства для измерения параметров емкостного двухполюсника в диапазоне частот от низких до очень высоких по п. 4, содержащий трансформатор
(11) связи, образцовые катушки (12, 13, 14) индуктивности с различными значениями индуктивности, один вывод каждой из которых соединен с соответствующей этой катушке
клеммой (15, 16, 17) для подключения измеряемого двухполюсника и со входами блока
развязки (18), выход которого соединен с выходом измерительного блока, первичная обмотка трансформатора (11) связи соединена с входом измерительного блока, а вторичная
обмотка этого трансформатора выполнена в виде объемного витка и соединена с клеммой
(19) для подключения измеряемого двухполюсника, которая является общей для всех подключаемых двухполюсников.
6. Способ калибровки измерительного блока по п. 5, заключающийся в том, что определяют эффективное значение индуктивности каждой образцовой катушки (12, 13, 14) путем поочередного подключения к каждой паре клемм (15-19, 16-19, 17-19), последовательно с каждой образцовой катушкой по меньшей мере трех вспомогательных
образцовых высокодобротных конденсаторов, каждый из которых выполнен в виде длинной линии с определенным значением емкости CB1F, CB2F, CB3F на очень низкой частоте,
при подключении каждого образцового конденсатора определяют резонансную частоту
f01, f02, f03 колебательного контура и добротность каждой образцовой катушки на указанных частотах из соотношений:
2
Q LKf 01 =
2
 U 01  f 01
 −

f12
 U1 
2
 f 01



−
1
 f2

 1

2
2
Q LKf 02 =
2
 U 02  f 02
 −

f 22
 U2 
2
 f 02



−
1
 f2

 2

4
2
(9)
BY 8496 C1 2006.10.30
2
Q LKf 03 =
2
 U 03  f 03

 −
f 32
 U3 
2
2
 f 03

 f2
 3
,

− 1


при этом эффективное значение индуктивности LKЭ1, LKЭ2, LKЭ3 каждой образцовой катушки определяют из следующих соотношений:
1
L КЭ1 =
(2πf 01 )2 C B1f 01
1
L КЭ 2 =
(10)
(2πf 02 )2 C B2f 02
1
,
L КЭ3 =
(2πf 03 )2 C B3f 03
где CB1f01, CB2f02, CB3f03 - значения емкости каждого образцового конденсатора на резонансных частотах f01, f02, f03, которые определяют из соотношений:
tgβ 01
C B1f 01 = C B1F
β 01
tgβ 02
C B 2f 02 = C B2 F
(11)
β 02
tgβ 03
C B3f 03 = C B3F
,
β 03
где β01, β02, β03 - постоянные сдвига фазы для каждого образцового коаксиального конденсатора, которые определяют из соотношений:
f
β 01 = 2π 01 l1
C0
(12)
f
β 02 = 2π 02 l 2
C0
f
β 03 = 2π 03 l3 ,
C0
где C0 - скорость света,
l1, l2, l3 - длина длинной линии соответствующего образцового коаксиального конденсатора;
определяют собственную емкость каждой образцовой катушки индуктивности из соотношения:
C
+ C L 2 K + C L 3K
,
C LK = L1K
(13)
3
где
1
1
−
L
L
(14)
C L1K = КЭ21 2 КЭ22
(2π) f 02 − f 01
1
1
−
L
L
C L 2 K = КЭ22 2 КЭ23
(2π) f 03 − f 02
(
)
(
)
5
BY 8496 C1 2006.10.30
1
C L 3K =
L КЭ1
−
(
1
L КЭ3
)
,
2
− f 01
определяют значение индуктивности LK каждой образцовой катушки из соотношения:
L КЭ
LK =
,
(15)
1 + (2πf 0 )2 L КЭ С LK
где LKЭ - любое из LKЭ1, LKЭ2, LKЭ3, определяемое по соотношениям (10) на частотах
f01, f02, f03, соответственно;
записывают для каждой образцовой катушки индуктивности значения LK1, CLK1; LK2, CLK2;
LK3, CLK3 в ПЗУ контроллера;
определяют для каждой образцовой катушки индуктивности постоянные коэффициенты
m, e, k из системы уравнений:
2
Q LKf 01 = m + ef 01 + kf 01
(2π)
2
2
f 03
2
Q LKf 02 = m + ef 02 + kf 02
(16)
2
Q LKf 03 = m + ef 03 + kf 03
в ПЗУ контроллера записывают для каждой образцовой катушки функции
(17)
Q LKf = m + ef + kf 2 .
Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано
для измерения в диапазоне от низких до очень высоких частот параметров емкостных
двухполюсников, представляемых последовательно-параллельной схемой замещения.
Известен способ измерения параметров емкостного двухполюсника, а именно эффективных значений емкости и добротности [SU 1126897 А, 1984], в котором осуществляют
следующие операции:
образуют измерительный колебательный контур путем включения измеряемого двухполюсника:
при CX < (CKmax-CKmin) - параллельно с измерительным конденсатором, последовательно с которым включена образцовая катушка;
при CX > (CKmax-CKmin) - последовательно с измерительным конденсатором и образцовой катушкой индуктивности,
где CX - емкость измеряемого двухполюсника;
CKmax, CKmin - максимальное и минимальное значения емкости измерительного конденсатора;
настраивают упомянутый колебательный контур в резонанс изменением частоты сигнала возбуждения;
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 емкости измеряемого двухполюсника по формулам:
при параллельном включении
CXЭ = CK1-CK2;
при последовательном включении
С ⋅C
C XЭ = к1 K 2 ;
С K 2 − С K1
6
BY 8496 C1 2006.10.30
где CK1 - значение емкости образцового конденсатора без подключения измеряемого
двухполюсника;
СK2 - значение емкости образцового конденсатора с подключением измеряемого двухполюсника;
определяют эффективное значение фактора потерь измеряемого двухполюсника по
формулам:
при параллельном включении
С + СL 1
1
(
)
Д Э = к1
−
C ХЭ
QK QL
при последовательном включении
C ХЭ
1
ДЭ =
⋅
Q C C K1 + C L
где
1
1
1
=
−
,
QC Q K Q L
QL - добротность образцовой катушки индуктивности;
QK - добротность колебательного контура с подключенным к нему измеряемым двухполюсником;
CL - собственная емкость образцовой катушки индуктивности.
При этом добротность контура определяют по формуле:
f
QK = 0 ,
2∆f
где f0 - частота резонанса измерительного колебательного контура;
∆f - разность между резонансной частотой и частотой расстройки.
Недостатками известного способа являются:
возможность измерения добротности, не превышающей 1000 ед.;
относительно большая погрешность измерения добротности за счет малой расстройки
колебательного контура до уровня 0,707 от напряжения резонанса;
относительно большая погрешность измерения эффективного значения емкости за
счет неучтенной собственной индуктивности LC измерительного конденсатора, а также за
счет неполного включения измеряемого двухполюсника в измерительный колебательный
контур;
сложности автоматизации измерения из-за наличия механически перестраиваемого
измерительного конденсатора.
Известный способ измерения параметров емкостного двухполюсника осуществляется
устройством, содержащим измерительный блок с измерительным конденсатором переменной емкости, генератор сигнала возбуждения и блок настройки и индикации результатов измерения [1]. Это устройство является ближайшим аналогом заявляемого.
Недостатки, приведенные выше для известного способа измерения параметров емкостного двухполюсника, присущи и устройству, реализующему этот способ.
Задача изобретения - уменьшение погрешности измерения эффективных значений емкости и добротности емкостного двухполюсника в широком диапазоне частот, упрощение
автоматизации измерения.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения параметров емкостного
двухполюсника, при котором:
образуют измерительный колебательный контур путем включения измеряемого емкостного двухполюсника последовательно с измерительным реактивным элементом и подают на этот контур сигнал возбуждения,
7
BY 8496 C1 2006.10.30
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 емкости измеряемого емкостного двухполюсника и
добротность контура,
в качестве измерительного реактивного элемента используют три образцовые катушки
индуктивности с разными значениями индуктивности,
поочередно образуют три колебательных контура путем включения измеряемого двухполюсника последовательно с каждой образцовой катушкой индуктивности,
производят настройку в резонанс и расстройку каждого упомянутого контура и определяют частоту и напряжение в каждом контуре при резонансе и при расстройке,
определяют эффективное значение емкости СЭ1, СЭ2, СЭ3 измеряемого двухполюсника
и добротность QK1, QK2, QK3 в каждом контуре по формулам

C
−
LK1 
(2πf 01 ) 2 L K1


1
CЭ 2 =
C
−
(1)
LK 2 
(2πf 02 ) 2 L K 2


1
C Э3 =
−
C
LK 3 

(2πf 03 ) 2 L K 3
f2 
U

( 01 ) 2 − 01
U1
f12 
Q K1 =

f2
2

−
( 01
1
)
2

f1

2 
f
U

( 02 ) 2 − 02
U2
f 22 
QK2 =
(2)

2
f 02
2 
( 2 − 1)

f2

2 
f 
U
( 03 ) 2 − 03
U3
f 32 
QK3 =

2
f 03

2
( 2 − 1)

f3

- резонансная частота первого, второго и третьего контура, соответст-
C Э1 =
1
где f01, f02, f03
венно;
f1, f2, f3 - частота расстройки первого, второго и третьего контура, соответственно;
LK1, LK2, LK3 - значение индуктивности первой, второй и третьей образцовой катушки
индуктивности соответственно, определяемое при калибровке измерительного блока;
СLK1, CLK2, СLK3 - значение собственной емкости первой, второй и третьей катушки
индуктивности соответственно, определяемое при калибровке измерительного блока;
определяют эффективное значение фактора потерь ДЭ1, ДЭ2, ДЭ3 измеряемого емкостного двухполюсника в каждом контуре по формулам
8
BY 8496 C1 2006.10.30

С Э1 + С LK1 1
1
−
) 
(
Q K1 Q LK1 
С Э1
С + С LK 2 1
1 
−
Д Э2 = Э2
(
)
(3)
С Э2
Q K 2 Q LK 2 

С + С LK3 1
1
(
−
)
Д Э3 = Э3
С Э3
Q K 3 Q LK 3 
где QLK1, QLK2, QLK3 - добротность, соответственно первой, второй и третьей образцовой катушки индуктивности, определяемая из соотношения
QLKf = m + ef + kf2
(4)
где m, e, k - коэффициенты, определяемые при калибровке измерительного блока,
определяют постоянные коэффициенты a, b, c из системы уравнений
2 
C Э1 = a + bf 01 + cf 01

2 
C Э 2 = a + bf 02 + cf 02
(5)

2 
C Э3 = a + bf 03 + cf 03

определяют постоянные коэффициенты a', b', c' из системы уравнений
2 
Д Э1 = a '+ b' f 01 + c' f 01

2 
Д Э 2 = a '+ b' f 02 + c' f 02
(6)


2
Д Э3 = a '+ b' f 03 + c' f 03

при этом эффективное значение емкости CЭf и фактора потерь ДЭf измеряемого двухполюсника на любой заданной частоте f в пределах f01-f03 определяют по формулам
C Эf = a + bf + cf 2 
(7)

Д Эf = a '+ b' f + c' f 2 
Согласно заявленному изобретению, преимущественным является способ, при котором значение индуктивности первой, второй и третьей образцовой катушки выбирают с
учетом динамического диапазона измерения емкости в заданном диапазоне частот, а
именно из условия
1

L K1 =
2
(2πf макс ) ⋅ C мин 

1
L K3 =
(8)

2
(2πf мин ) ⋅ C макс 

L K 2 = L K1 ⋅ L K 3


где Смин, Смакс - минимальное и максимальное значение емкости измеряемого емкостного двухполюсника в заданном диапазоне измерения;
fмин, fмакс - минимальное и максимальное значения частот в заданном диапазоне частот
измерения параметров емкостного двухполюсника.
Преимущественной для заявляемого способа является величина упомянутой расстройки в пределах (0,1-0,3) от напряжения в контуре при резонансе.
Согласно изобретению, в устройстве для осуществления вышеописанного способа измерения параметров емкостного 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,
Д Э1 =
9
BY 8496 C1 2006.10.30
первым входом подключенный к выходу генератора (2), вторым - к выходу измерительного блока (1), а выходом - ко входу измерительного блока (1).
Согласно изобретению блок (3) настройки и индикации результатов измерения 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 a, b, c микропроцессорного контроллера (9) соединены с управляющими
входами генератора (2) и усилителей (5) и (6).
При этом измерительный блок устройства содержит трансформатор (11) связи, образцовые катушки (12, 13, 14) индуктивности с различными значениями индуктивности, один
вывод каждой из которых соединен с соответствующей этой катушке клеммой (15, 16, 17)
для подключения измеряемого двухполюсника и со входами блока развязки (18), выход
которого соединен с выходом измерительного блока, первичная обмотка трансформатора
(11) связи соединена с входом измерительного блока, а вторичная обмотка этого трансформатора выполнена в виде объемного витка и соединена с клеммой (19) для подключения измеряемого двухполюсника, которая является общей для всех подключаемых двухполюсников.
Поставленная задача также достигается способом калибровки измерительного блока,
при котором:
определяют эффективное значение индуктивности каждой образцовой катушки (12,
13, 14) путем поочередного подсоединения к каждой паре клемм (15-19, 16-19, 17-19), т.е.
последовательно с каждой образцовой катушкой трех и более вспомогательных высокодобротных конденсаторов, выполненных в виде длинных линий с известными значениями
емкости (CB1F, СB2F, CB3F) на очень низкой частоте, при каждом подключении образцового
конденсатора определяют резонансную частоту (f01, f02, f03) колебательного контура и добротность каждой образцовой катушки на этих частотах по выражениям
f2 
U

( 01 ) 2 − 01
U1
f12 
Q LKf 01 =

2
f 01
2

( 2 − 1)

f1

2 
f
U
( 02 ) 2 − 022 
U2
f2 
Q LKf 02 =
(9)

2
f 02
2 
( 2 − 1)

f2

2 
f 
U
( 03 ) 2 − 03
U3
f 32 
Q LKf 03 =

2
f 03

2
( 2 − 1)

f3

при этом эффективные значения индуктивностей (LKЭ1, LKЭ2, LKЭ3) каждой образцовой катушки индуктивности определяют исходя из следующих соотношений:
10
BY 8496 C1 2006.10.30


(2πf 01 ) 2 C B1f 01 

1
L KЭ 2 =
(10)

(2πf 02 ) 2 C B2f 02 

1

L KЭ3 =
(2πf 03 ) 2 C B3f 03 
где СB1f01, СB2f02, СB3f03 - значения емкости каждого образцового конденсатора на резонансных частотах f01, f02, f03, которые определяют из выражений
tgβ 01 
C B1f 01 = C B1F

β 01 
tgβ 02 
C B2f 02 = C B2 F
(11)

β 02 
tgβ 03 
C B3f 03 = C B3F

β 03 
L KЭ1 =
1
где β01, β02, β03 - постоянные сдвига фазы для каждого образцового коаксиального конденсатора, которые определяют из выражений:

f
β 01 = 2π 01 l1 , 
C0 

f
β 02 = 2π 02 l 2 
(12)
C0 

f
β 03 = 2π 03 l3 ,
C0 
где С0 - скорость света;
l1, l2, l3 - длина длинной линии соответствующего образцового коаксиального конденсатора,
определяют собственную емкость каждой образцовой катушки индуктивности по формуле
C
+ C L 2 K + C L3K
C LK = L1K
,
(13)
3
где
1
1

−
L KЭ1 L KЭ 2 

C L1K =
2
2
− f 01
(2π) 2 (f 02
)

1
1 
−
L KЭ 2 L KЭ3 
C L2K =
(14)
2
2 
− f 02
(2π) 2 (f 03
)

1
1
−

L KЭ1 L KЭ3 
C L 3K =
2
2 
− f 01
(2π) 2 (f 03
)


определяют значение индуктивности LK каждой образцовой катушки по формуле
11
BY 8496 C1 2006.10.30
LK =
L KЭ
,
(15)
1 + (2πf 0 ) 2 L KЭ С LK
где LKЭ - любое из LKЭ1, LKЭ2, LKЭ3 соответственно на частотах f01, f02, f03;
записывают для каждой образцовой катушки значения LK1, СLK1, LK2, CLK2, LK3, СLK3 в
ПЗУ контроллера устройства по п. 4,
определяют для каждой образцовой катушки индуктивности постоянные коэффициенты m, e, k функции из системы уравнений
2 
Q LKf 01 = m + ef 01 + kf 01

2 
Q LKf 02 = m + ef 02 + kf 02
(16)


2
Q LKf 03 = m + ef 03 + kf 03

записывают функции
QLKf = m + ef + kf2
(17)
с постоянными m, e, k для каждой образцовой катушки в ПЗУ контроллера устройства
по п. 4.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, на фиг. 2 - схема измерительного
блока, на фиг. 3 - резонансная кривая измерительного блока в функции U = Ф(f).
Устройство для измерения параметров емкостного двухполюсника содержит измерительный блок (1) с входным и выходным элементами связи и 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, содержащий трансформатор (11) связи, образцовые
катушки (12, 13, 14) индуктивности с различными значениями индуктивности, один вывод
каждой из которых соединен с соответствующей этой катушке клеммой (15, 16, 17) для
подключения измеряемого двухполюсника и со входами блока развязки (18), выход которого соединен с выходом измерительного блока, а вторичная обмотка этого трансформатора выполнена в виде объемного витка и соединена с клеммой (19) для подключения
измеряемого двухполюсника, которая является общей для всех подключаемых двухполюсников.
Устройство работает в трех режимах:
в режиме калибровки измерительного блока;
в режиме автоматического измерения параметров емкостного двухполюсника на трех
частотах f01, f02, f03, определяемых тремя образцовыми катушками индуктивности измерительного блока;
в режиме определения параметров двухполюсника на любой заданной частоте в пределах f01-f03.
12
BY 8496 C1 2006.10.30
I. В режиме калибровки:
определяют эффективные значения индуктивности каждой образцовой катушки (12,
13, 14) путем поочередного подсоединения к каждой паре клемм (15-19, 16-19, 17-19) последовательно с одной из образцовых катушек трех и более вспомогательных высокодобротных конденсаторов, выполненных в виде длинных линий с известными значениями
емкости (CB1F, CB2F, CB3F) на очень низкой частоте, при каждом подключении определяют
резонансную частоту (f01, f02, f03) колебательного контура и добротность образцовых катушек на этих частотах, при этом эффективные значения индуктивностей (LKЭ1, LKЭ2,
LKЭ3) каждой образцовой катушки индуктивности определяют исходя из математических
выражений (10)-(12);
определяют собственную емкость каждой образцовой катушки индуктивности по формулам (13), (14);
определяют значение индуктивности каждой образцовой катушки L по формуле (15);
записывают для каждой образцовой катушки значения LK1, СLK1, LK2, СLK2, LK3, СLK3 в
ПЗУ контроллера устройства,
определяют для каждой образцовой катушки индуктивности постоянные коэффициенты m, e, k функции из системы уравнений (16)
записывают для каждой образцовой катушки функции QLKf = m + ef + kf2 с постоянными m, e, k в ПЗУ устройства по п. 4 формулы изобретения.
На этом заканчивается режим калибровки.
II. В режиме измерения измеряемый двухполюсник поочередно подключают к упомянутым клеммам (15, 16, 17), с которыми соединены образцовые катушки (12, 13, 14) измерительного блока (1) устройства, запускают автоматический режим измерения, при котором генератор (2), управляемый контроллером (9), сканирует частоту сигнала возбуждения
до достижения 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 на контуре при резонансе занесены в контроллер (9), генератор (2), управляемый контроллером (9), изменяет
частоту сигнала возбуждения до значения f, при котором 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 режим 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.
Трансформатор (11) связи измерительного блока (1) обеспечивает его развязку от
внешних цепей, т.е. обеспечивает значительное уменьшение внесения в колебательный
контур измерительного блока (1) активных и реактивных составляющих внешних цепей.
При этом блок развязки (18), являясь буфером между измерительным блоком (1) и измерительной частью устройства, включающей широкополосный усилитель (7), детектор (8),
контроллер (9) и цифровой индикатор (10), дополнительно уменьшает внесенные активные потери в измерительный блок (1) со стороны измерительной части устройства.
После определения значений f01, U01, f1, U1
13
BY 8496 C1 2006.10.30
f02, U02, f2, U2
f03, U03, f3, U3
контроллер (9) в соответствии с заданной программой определяет:
эффективные значения емкостей СЭ1, СЭ2, СЭ3 и добротности колебательных контуров
Q1, Q2, Q3 на частотах f01, f02, f03 по формулам (1), (2);
эффективные значения фактора потерь ДЭ1, ДЭ2, ДЭ3 измеряемого двухполюсника по
формулам (3), (4);
постоянные коэффициенты a, b, c функции СЭ = Ф(f) из системы уравнений (5) и a', b',
c' функции ДЭ = Ф(f) из системы уравнений (6), при этом коэффициенты a, b, c и a', b', c'
заносятся и запоминаются в ОЗУ контроллера;
параметры СЭ1, СЭ2, СЭ3, ДЭ1, ДЭ2, ДЭ3 после определения автоматически высвечиваются на экране (10) устройства.
III. В режиме определения параметров измеряемого емкостного двухполюсника на
любой заданной частоте f, находящейся в пределах f01-f03, но отличной от f01, f02, f03;
с помощью органов управления задают на табло устройства интересующее значение
частоты f, находящейся в пределах f01-f03 и заносят в ОЗУ контроллера (9);
после команды отсчета, по команде с органов управления контроллер (9) определяет
по формулам (7) эффективные значения емкости СЭ и фактора потерь ДЭ на заданной частоте f, которые высвечиваются на экране (10) устройства.
По сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве появилась возможность автоматизировать трудоемкие операции настройки и расстройки колебательного контура измерительного блока в резонанс.
Использование цифровой элементной базы, микропроцессорного контроллера, а также
современных аналоговых устройств позволило создать устройство, в котором реализован
предложенный способ определения параметров измеряемого емкостного двухполюсника,
основанный на точных соотношениях в области радиотехники, позволивших учесть остаточные параметры измерительного блока (сопротивления активных потерь, реактивности)
как собственные, так и вносимые в него из внешних цепей.
Вышеуказанное с использованием калиброванных образцовых катушек индуктивности дало возможность значительно повысить точность измерения параметров емкостного
двухполюсника.
Сравним погрешность измерения параметров емкостного двухполюсника с помощью
прототипа и с помощью устройства в соответствии с данным изобретением.
Так, в прототипе для упрощения определения добротности используется упрощенная
формула
f
Q= 0 ,
2∆f
выведенная из точной формулы
U 0 2 f 02
) − 2
U
f
Q=
2
f
( 02 − 1) 2
f
Упрощенная формула при Q = 1000, ∆f = 1,0005f0 и при абсолютной погрешности измерения частоты εf = 10-4 f0 дает относительную погрешность измерения добротности
контура
εf
δQ K = 2 100 = 40%
∆f
При этом, как отмечалось выше, в связи с неполным включением измеряемого двухполюсника в измерительный колебательный контур добавляются погрешности определе(
14
BY 8496 C1 2006.10.30
ния добротности образцовой катушки индуктивности, а также погрешности измерения
емкости образцового конденсатора измерительного контура.
Из выражений (2) погрешность измерения добротности в соответствии с изобретением
определяется выражением
δQ K = (
N 2U
4
δN U ) 2 + ( 2
δf ) 2
2
2
2
N U − Nf
( N U − 1)( N ω − 1)
f
U0
3 ⋅10 −3
; δN U =
(1 + N U ); N ω = 0 ,
f
U
U m0
U0 - напряжение в контуре при резонансе;
Um0 - максимальное напряжение в контуре при резонансе;
U - напряжение в контуре при расстройке;
f0 - резонансная частота;
f - частота расстройки.
При этом из выражений (2) вытекает следующее соотношение
где N U =
2Q 2 − 1 2 Q 2 − N 2U
=
± (
) −
f 02
2Q 2
2Q 2
Q2
Из него следует, что в предлагаемом устройстве при Q = 1000, Um0 = 10 В, NU = 10, и
при использовании в контроллере (9) 12-ти разрядного АЦП погрешность измерения добротности не превышает δQ = 6 %.
Из выражений определения емкости измеряемого двухполюсника прототипом погрешность измерения емкости определяется выражениями:
при параллельном включении измеряемого двухполюсника в колебательный контур
(СХ ≤ 400 пФ)
f2
2Q 2 − 1
δC X = δ 2 C K1 + δ 2 C K 2
при последовательном включении измеряемого двухполюсника в колебательный контур (СХ ≥ 400 пФ)
δC X = (
C K1
CK 2
) 2 ⋅ δ 2C K 2 ,
) 2 ⋅ δ 2 C K1 + (
C K 2 − C K1
C K 2 − C K1
где СK1, СK2 - значения емкости образцового конденсатора колебательного контура.
Погрешность градуировки конденсатора переменной емкости колебательного контура
(как механической системы) может быть достигнута не менее 0,5 %.
При этом конденсатор переменной емкости имеет не контролируемую изменяющуюся
собственную индуктивность в пределах от 4⋅10-9 до 1,5⋅10-9 Гн, за счет которой вносится
дополнительная погрешность в отсчете емкости
δCK = (2πf)2⋅CK⋅LC⋅100 % ,
согласно которой на частоте f = 50⋅106 Гц при СK = 400 пФ и LC = 1,5⋅10-9 Гн погрешность
определения СK будет составлять δСK = 6 % и погрешность определения емкости измеряемого двухполюсника будет составлять:
δСХ = 9,2 % при СХ ≤ 400 пФ;
δСХ = 18,4 % при СХ = 10000 пФ (без учета собственной индуктивности измерительного конденсатора).
Погрешность измерения емкости исследуемого двухполюсника предлагаемым способом и устройством не превышает δСХ = 0,5 % при значениях емкости исследуемого двухполюсника в пределах СХ = (1-106) пФ.
15
BY 8496 C1 2006.10.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
16
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
304 Кб
Теги
by8496, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа