СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ МАЛОЙ ЕМКОСТИ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ В ИЗОЛИРОВАННОМ ОБЪЕМЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ, ДАВЛЕНИЯ И РАДИАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01R27/26 G01R27/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к резонансному способу измерения малой емкости на высоких частотах в изолированном объеме при воздействии высоких температур, давления и радиации.

Известные резонансные способы измерения емкости на высоких частотах не позволяют измерять малую емкость в изолированном объеме при воздействии высоких температур, давления и радиации.

Так способ измерения емкости, основанный на измерении добротности колебательного контура, и способ двух генераторов, собранных по одинаковой схеме [1] и [2], не позволяют измерять малую емкость в термокамерах, барокамерах и радиационных камерах: параметры генераторов, полупроводниковых транзисторов зависят от температуры, давления и радиации.

Известен способ дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах в патенте на изобретение за N 2131130, выбранный в качестве прототипа [3]. В этом способе пиковый детектор подключают в ту же точку линии с распределенными параметрами, что и измеряемую емкость. При этом параметры пикового детектора являются функцией температуры, давления и радиации. Это не позволяет измерять малую емкость при воздействии этих дестабилизирующих факторов.

Известно, что подключение малой индуктивности к линии с распределенными параметрами в точку высокочастотного резонанса приводит к сдвигу амплитудно-частотной характеристики по частотной оси в сторону увеличения частоты. Это подтверждается в авторском свидетельстве за N 332392 на "Устройство для дистанционного измерения индуктивности" [4]. Подключение пикового детектора к точке подключения измеряемой емкости с помощью металлических шин позволяет вынести пиковый детектор из изолированного объема.

Эквивалентная схема на высоких частотах пикового детектора, подключенного с помощью металлических шин, представлена на фиг. 1, где
L, L - индуктивность металлических шин;
C - емкость пикового детектора.

Такое подключение пикового детектора эквивалентно подключению малой индуктивности в точку высокочастотного резонанса, что приводит к сдвигу амплитудно-частнотной характеристики по частотной оси в сторону увеличения частоты, сохранению высокочастотного резонанса на более высоких частотах в точке подключения измеряемой емкости. Это позволяет вынести пиковый детектор из зоны действия дестабилизирующих факторов и проводить измерения малой емкости при воздействии высокой температуры, давления и радиации известным "Способом дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах - патент на изобретение за N 2131130.

С целью измерения малой емкости на высоких частотах в изолированном объеме при воздействии высоких температур, давлений и радиации колебательную систему и измеряемую емкость помещают в изолированный объем, подключают пиковый детектор к измеряемой емкости с помощью металлических шин с использованием высокочастотных высокотемпературных изоляторов, помещают пиковый детектор вне зоны изолированного объема, воздействуют в изолированном объеме на измеряемую емкость высокой температурой, давлением и радиацией, при этом производят измерение емкости на высоких частотах известным способом [3].

На фиг. 2 представлен вариант блок-схемы устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит генератор высокой частоты 1, пиковый детектор 2, усилитель низкой частоты или осциллограф 2, колебательную систему с распределенными параметрами L₀C₀, измеряемую емкость C_x, металлические шины 4, с помощью которых подключают пиковый детектор 2 к измеряемой емкости C_x, высокотемпературные высокочастотные изоляторы 5, обеспечивающие высокую температуру, давление и радиацию в изолированном объеме 6.

Высокочастотный сигнал подают в колебательную систему, выполненную в виде линии с распределенными параметрами, длина которой составляет нечетное число четвертей длин волн высокочастотного сигнала. При этом частоту fp2 высокочастотного сигнала устанавливают больше (фиг. 3) или меньше (фиг. 4) резонансной частоты fp1 в конце линии с распределенными параметрами для последующего использования линейно падающего или линейно возрастающего участка амплитудно-частотной характеристики. Напряжение, снятое с колебательной системы, будет иметь значение U1, что соответствует значению емкости Cкал.min= 0пФ. При этом показания осциллографа принимают значения в относительных единицах, например 6,5 (фиг. 5). Подключают калибровочную емкость Cкал.max, например, 2,5 пФ. Cкал.max=2,5 пФ. Показания осциллографа принимают значения в относительных единицах, например, 2 (фиг. 5). Получают калибровочную характеристику AB (фиг. 5).

Помещают измеряемую емкость C_x в изолированный объем 6 и подключают к колебательной системе. Осциллограф фиксирует амплитуду сигнала, в относительных единицах, например, 3 (фиг. 5). По калибровочной характеристике AB (фиг. 5) определяют величину измеряемой емкости C_x, например, 2 пФ (фиг. 5). При этом изменяют резонансную частоту колебательной системы до значения, равного fp3, а следовательно, изменяют до значения U2 амплитуду сигнала, снимаемого с колебательной системы (фиг. 3). При этом используют линейный участок резонансной характеристики. При воздействии высокой температуры, давления и радиации величина измеряемой емкости C_x пропорциональна амплитуде снимаемого сигнала.

По калибровочной характеристике AB определяют величину измеряемой емкости C_x. Она равна 2 пФ. C_x=2 пФ.

При этом в изолированном объеме 6 воздействуют на измеряемую емкость C_x высокой температурой, давлением и радиацией и фиксируют изменение емкости C_x под действием этих дестабилизирующих факторов.

Экспериментальные данные
Способ дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах в изолированном объеме при воздействии высокой температуры, давления или радиации.

На фиг. 6 изображена блок-схема устройства, в котором пиковый детектор подключен к измеряемой емкости C_x без металлических шин.

Устройство содержит генератор высокой частоты 1, пиковый детектор 2, усилитель низкой частоты или осциллограф 3, колебательную систему с распределенными параметрами L₀C₀ - кабель РК-75 длиной 1 м 82 см, измеряемую емкость C_x.

Снята амплитудно-частотная характеристика высокочастотного резонанса в конце линии с распределенными параметрами.

При этом резонансная частота fp01 колебательной системы оказалась равной 173 МГц fp01=173 МГц.

При этом данную колебательную систему, выполненную в виде линии с распределенными параметрами, длина которой составляет нечетное число четвертей длин волн высокочастотного сигнала - кабель РК-75 длиной 1 м 82 см, используют для дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах. Это отмечено в патенте за N 2131130: частоту высокочастотного сигнала fp2 устанавливают больше (фиг. 3) или меньше (фиг. 4) резонансной частоты fp1 в конце линии с распределенными параметрами для последующего использования линейно падающего или линейно возрастающего участка амплитудно-частотной характеристики, подключают измеряемую емкость к колебательной системе, а о величине измеряемой емкости судят по амплитуде сигнала, снимаемого с колебательной системы.

Способ дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах в патенте на изобретение за N 2131130 выбран в качестве прототипа и не позволяет измерять малую емкость на высоких частотах в изолированном объеме.

На фиг. 2 изображена блок-схема устройства, в котором пиковый детектор 2 подключен к измеряемой емкости C_x с помощью металлических шин 4. При этом колебательную систему L₀C₀ - кабель РК-75 длиной 1 м 82 см и измеряемую емкость C_x помещают в изолированный объем 6.

В качестве металлических шин используют медные провода диаметром 1 мм длиной 15 см. С помощью металлических шин 4 пиковый детектор 2 выносят за пределы изолированного объема 6, используют при этом высокочастотные высокотемпературные фторопластовые изоляторы 5. Эквивалентная схема пикового детектора на высоких частотах, подключенного с помощью медных шин к измеряемой емкости C_x приведена на фиг. 1, где
L1,L2 - индуктивность медных шин,
C1 - емкость пикового детектора.

Подключение малой дополнительной индуктивности L1, L2, включенной последовательно в точку высокочастотного резонанса, приводит к сдвигу амплитудно-частотной характеристики по частотной оси в сторону увеличения частоты. Это отмечено в авторском свидетельстве за N 332392 [4]. Это подтверждают экспериментальные данные.

Блок-схема устройства представлена на фиг. 2. В этом устройстве пиковый детектор 2 вынесен за пределы изолированного объема 6.

Снята амплитудно-частотная характеристика высокочастотного резонанса в конце линии с распределенными параметрами.

Из таблицы N 2 видно, что резонансная частота колебательной системы fp02 оказалась равной 179 МГц fp02=179 МГц. При этом fp02>fp01.

Это соответствует вышеприведенным теоретическим выкладкам. Таким образом, подключение пикового детектора 2 к измеряемой емкости C_x с помощью металлических шин 4 приводит к сдвигу амплитудно-частотных характеристик по частотной оси в сторону увеличения частоты.

Устанавливают частоту fp2, равную 181 МГц fp2=181 МГц. См. фиг. 3.

При этом показания осциллографа принимают в относительных единицах значения, равного 6,3. Емкость калибровочная минимальная Скал.min=0пФ соответствует показанию осциллографа, равному 6,3. Скал.min=6,3. Подключают калибровочную емкость Cкал. max, равную 2,5 пФ. При этом показания осциллографа принимают в относительных единицах значения, равное 2. Получают калибровочную характеристику AB, представленную на фиг. 5.

Подключают измеряемую емкость C_x в изолированном объеме 6. При этом показания осциллографа фиксируют в относительных единицах значения.

Литература
1. Насонов B.C. Справочник но радноизмерительным приборам. Т.1 - Б.м.: Сов. Радио, 1976. - С. 131.

2. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Высшая школа, 1989. - С. 296-297.

3. Патент РФ 2131130 Способ дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах /В.А. Дульбеев - опубл. В Б.И., 1999. N 15.

4. А. С. N 332392 СССР. Устройство для дистанционного измерения индуктивности / В.А. Дульбеев. Опубл 14.03.1972, Бюл. N 10.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к резонансному способу измерения малой емкости на высоких частотах при воздействии высокой температуры, давления и радиации. Технический результат изобретения заключается в обеспечении дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах при воздействии дестабилизирующих факторов: высокой температуры, давления и радиации. Способ заключается в том, что линию с распределенными параметрами, длина которой составляет нечетное число четвертей длин волн высокочастотного сигнала, и измеряемую емкость помещают в изолированный объем, подключают с помощью металлических шин пиковый детектор к измеряемой емкости, помещают пиковый детектор вне зоны изолированного объема, воздействуют на измеряемую емкость высокой температурой, давлением и радиацией, измеряют дистанционно малую емкость на высоких частотах известным способом. 6 ил., 2 табл.

Способ дистанционного измерения малой емкости на высоких частотах в изолированном объеме при воздействии высокой температуры, давления и радиации, при котором подают высокочастотный сигнал на колебательную систему, выполненную в виде линии с распределенными параметрами, длина которой составляет нечетное число четвертей длин волн высокочастотного сигнала, частоту которого устанавливают больше или меньше резонансной частоты в конце линии с распределенными параметрами для использования линейно падающего или линейно возрастающего участка амплитудно-частотной характеристики, отличающийся тем, что колебательную систему и измеряемую емкость помещают в изолированный объем, подключают пиковый детектор к измеряемой емкости с помощью металлических шин с использованием высокочастотных высокотемпературных изоляторов и сдвигают амплитудно-частотную характеристику по частотной оси в сторону увеличения частоты, помещают пиковый детектор вне зоны изолированного объема, воздействуют в изолированном объеме на измеряемую емкость высокой температурой, давлением и радиацией.