УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к электрическим измерениям, в частности к измерению параметров конденсаторов, и может быть использовано при построении высокопроизводительных автоматических устройств для контроля и сортировки радиодеталей, например конденсаторов или катушек индуктивностей по электрическим параметрам в условиях их массового производства.

Известно устройство для контроля потерь комплексных сопротивлений способом непосредственного измерения фазового угла, содержащее двухканальный фазовый индикатор и последовательно соединенные и подключенные к генератору активное и измеряемое комплексные сопротивления, последнее из которых содержит первый и второй потенциальные зажимы, два дифференциальных усилителя, выходы которых подключены к соответствующим входам фазового индикатора, а входы подключены: инвертирующий вход первого - к точке соединения активного сопротивления с одним зажимом генератора, неинвертирующий вход первого и инвертирующий вход второго - к первому потенциальному зажиму измеряемого комплексного сопротивления и неинвертирующий вход второго усилителя - к второму потенциальному зажиму измеряемого комплексного сопротивления, соединенному одновременно с другим зажимом генератора и с землей, причем двухканальный фазовый индикатор производит сравнение фаз напряжений на сопротивлениях или измерение величины отклонения фазового угла между этими напряжениями от угла π/2 [1]. Однако данное устройство не позволяет определить емкость.

Известно устройство для измерения параметров конденсаторов, содержащее генератор синусоидального напряжения, соединенный с одним зажимом для подключения измеряемого конденсатора и со входом операционного усилителя, другой зажим для подключения измеряемого конденсатора соединен с земляной шиной, два блока выборки информации, управляющий вход одного из которых подключен к генератору синусоидального напряжения, а измерительный вход - к выходу операционного усилителя, дифференцирующий усилитель и два блока запоминания, причем управляющий вход другого блока выборки информации соединен с выходом дифференцирующего усилителя, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, а измерительный вход другого блока выборки информации соединен с выходом генератора синусоидального напряжения, выходы блоков выборки информации подключены ко входам блоков запоминания [2].

Однако данное устройство не позволяет определить угол потерь индуктивностей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для определения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов, содержащее генератор, первая клемма выхода которого через активную нагрузку соединена с первой клеммой для подключения измеряемого конденсатора, вторая клемма выхода которого соединена с общей шиной и является второй клеммой для подключения измеряемого конденсатора, электронный переключатель, который имеет первый и второй сигнальные входы, выход которого последовательно соединен с первой клеммой входа аналого-цифрового преобразователя, вторая клемма выхода которого соединена с общей шиной, ЭВМ и блоком отсчета, управляющий выход ЭВМ соединен с управляющим входом электронного переключателя, компаратор и шифратор, соединенные последовательно, причем первая клемма входа компаратора соединена с первой клеммой выхода генератора и первым сигнальным входом электронного переключателя, вторая клемма входа которого соединена с общей шиной, выход шифратора соединен с управляющим входом ЭВМ, а второй сигнальный вход электронного переключателя соединен с первой клеммой для подключения измеряемого конденсатора [3].

Однако данное устройство не позволяет определить угол потерь индуктивностей. Другим недостатком данного устройства является определение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов только на инфранизкой частоте.

Общими недостатками всех вышеперечисленных устройств является неуниверсальность определения параметров комплексного сопротивления, измерение угла диэлектрических потерь с помощью идеального резистора, не обладающего емкостной составляющей. Известно, что таких резисторов нет. При измерении угла диэлектрических потерь на частоте промышленной сети, а также на других частотах менее 1кГц индуктивной составляющей специально подобранного резистора можно пренебречь, но емкостной составляющей пренебрегать нельзя. Поэтому с целью уменьшения систематической погрешности измерений целесообразно заменить резистор активно-емкостной нагрузкой. Существующие устройства также не позволяют измерять значение угла диэлектрических потерь при различных частотах.

Техническим результатом является увеличение точности определения угла диэлектрических потерь, возможность измерения параметров комплексного сопротивления при различных частотах приложенного напряжения и расширение функциональных возможностей устройства.

Увеличение точности определения угла диэлектрических потерь, возможность измерения параметров комплексного сопротивления при различных частотах приложенного напряжения и расширение функциональных возможностей устройства достигается тем, что в известное устройство для определения параметров комплексного сопротивления, содержащее источник синусоидальных сигналов, первая выходная клемма которого соединена с общей шиной и является первой клеммой для подключения измеряемого комплексного сопротивления, а также двухканальную измерительную схему, введена активно-емкостная нагрузка, один выход которой подключен к общей точке соединения второй выходной клеммы источника синусоидальных сигналов и первого канала измерительной схемы, а другой вывод - к общей точке соединения второго канала измерительной схемы и второй клеммы для подключения измеряемого комплексного сопротивления, измерительная схема, включающая в себя измерительно-вычислительный блок, блок памяти и индикации, определяет разность фаз между векторами напряжений источника синусоидальных сигналов и на измеряемом комплексном сопротивлении, их амплитуды напряжений и угол диэлектрических потерь измеряемого комплексного сопротивления, при этом угол потерь комплексного сопротивления определяется следующим образом:

δ_х=(δ₀-α-γ) при (α+γ)≤δ₀,

δ_х=(δ₀+α+γ) при (α+γ)>δ₀,

где δ₀ - значение угла диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки на частоте синусоидального сигнала, заложенное в блоке памяти измерительной схемы;

δ_х - угол потерь измеряемого комплексного сопротивления;

α - разность фаз между векторами напряжений источника синусоидальных сигналов (U) и на комплексном сопротивлении (U₂);

угол (γ) определяется по формуле

,

где γ - разность фаз между векторами напряжения U и U₁;

U - напряжение источника синусоидальных сигналов;

U₂ - падение напряжения на измеряемом комплексном сопротивлении;

U₁ - напряжение на активно-емкостной нагрузке.

Емкость измеряемого комплексного сопротивления определяется по формуле

,

где С₀ - емкость активно-емкостной нагрузки, заложенная в блоке памяти измерительной схемы,

δ_х - угол потерь измеряемого комплексного сопротивления.

Диэлектрические потери (δ_х) катушек индуктивностей определяются по формуле δ_х=(π-α-γ-δ₀), где

,

причем источник синусоидальных сигналов выполнен с возможностью регулирования частоты и имеет дополнительный выход, подключенный к дополнительному управляющему входу измерительной схемы.

Техническим результатом является существенное увеличение точности определения тангенса угла диэлектрических потерь, возможность измерения параметров комплексного сопротивления при различных частотах приложенного напряжения и расширение функциональных возможностей устройства.

Сущность изобретения заключается в увеличении точности измерения угла диэлектрических потерь за счет замены в устройстве активного сопротивления на активно-емкостную нагрузку, возможность измерения диэлектрических потерь при разных частотах и расширение функциональных возможностей устройства за счет непосредственного измерения амплитудных значений напряжений на генераторе синусоидальных сигналов и на комплексном сопротивлении, а также контроль фаз между векторами этих напряжений, вычисления напряжения на активно-емкостной нагрузке и определение разности фаз между векторами напряжений источника синусоидальных сигналов и активно-емкостной нагрузки.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник синусоидальных сигналов 1, первая выходная клемма которого соединена с общей шиной и является первой клеммой для подключения измеряемого комплексного сопротивления 3 (Z_x,) а также двухканальную измерительную схему 4, активно-емкостную нагрузку 2 (Z₀), один выход которой подключен к общей точке соединения второй выходной клеммы источника синусоидальных сигналов 1 и первого канала 5 измерительной схемы 4, а другой вывод - к общей точке соединения второго канала 6 измерительной схемы 4 и второй клеммы для подключения измеряемого комплексного сопротивления, а дополнительный выход 7 источника синусоидальных сигналов 1 подключен к дополнительному управляющему входу 8 измерительной схемы 4.

На фиг.2, 3 приведены векторные диаграммы работы устройства при определении параметров конденсатора (на фиг.2 при (α+γ)≤δ₀, а на фиг.3 при (α+γ)>δ₀), на фиг.4 - векторная диаграмма работы устройства при определении диэлектрических потерь катушек индуктивностей.

Электрическая структурная схема и векторные диаграммы имеют следующие обозначения:

U - напряжение на генераторе синусоидальных сигналов 1;

U₁ - падение напряжения на активно-емкостной нагрузке 2;

U_Rx, U_Сх - соответственно напряжение на активной и реактивной составляющих измеряемого объекта 3 при последовательной схеме замещения;

U₂ - падение напряжения на комплексном сопротивлении Z_x - (3);

I - ток, проходящий через и активно-емкостную нагрузку 2 и измеряемое комплексное сопротивление 3;

δ_х - угол диэлектрических потерь комплексного сопротивления;

δ₀ - угол диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки;

U_R0, U_C0 - соответственно напряжение на активной и реактивной составляющих активно-емкостной нагрузки Z₀ при последовательной схеме замещения;

γ - угол между векторами напряжений U и U₁;

α - угол между векторами напряжений U и U₂.

На фиг.2 θ=(α+δ_х) или θ=(δ₀-γ).

На фиг.3 θ=(γ+α).

Устройство работает следующим образом (см. фиг.1). В качестве комплексного сопротивления вначале возьмем конденсатор. Напряжение источника синусоидального сигнала 1 через активно-емкостную нагрузку 2 подается на измеряемое комплексное сопротивление 3. Сигнал, снимаемый со второй клеммы выхода генератора, и сигнал, снимаемый с общей точки соединения активно-емкостной нагрузки 2 и измеряемого комплексного сопротивления 3, подаются соответственно на входы 5 и 6 измерительной схемы 4. Измерительная схема включает в себя измерительно-вычислительный блок, блок памяти и индикации. Она может определять не только разность фаз α углов между входными сигналами, но и их амплитуду напряжений.

Измерительная схема также вычисляет угол диэлектрических потерь (δ_х) измеряемого комплексного сопротивления по формуле:

δ_х=(δ₀-α-γ) при (α+γ)≤δ₀, (см.фиг.2),

δ_х=(δ₀+α+γ) при (α+γ)>δ₀, (см.фиг.3),

где δ₀ - значение угла диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки на частоте синусоидального сигнала, заложенное в блоке памяти измерительной схемы,

δ_х - угол потерь измеряемого комплексного сопротивления;

α - разность фаз между векторами напряжений источника синусоидальных сигналов (U) и на измеряемом комплексном сопротивлении (U₂),

угол (γ) определяется по формуле

,

где γ - разность фаз между векторами напряжений U и U₁;

U - напряжение источника синусоидальных сигналов;

U₂ - падение напряжения на измеряемом комплексном сопротивлении;

U₁ - напряжение на активно-емкостной нагрузке.

Учитывая, что при последовательной схеме замещения конденсаторов ток в цепи - общий, тогда

где =2πf

f - частота сети.

С другой стороны

Из уравнения 1 и 2

U₁·Cosδ₀··C₀=U₂·Cosδ_x··C_x

Отсюда емкость измеряемого комплексного сопротивления определяется по формуле

,

где С₀ - емкость активно-емкостной нагрузки, заложенная в блоке памяти измерительной схемы.

При выборе в качестве комплексного сопротивления катушки индуктивности диэлектрические потери (δ_х) определяются (см. фиг.4) по формуле δ_х=(π-α-γ-δ₀), где

Значение угла диэлектрических потерь (δ_х) будет сохранено в ее блоке памяти под условным номером.

В устройстве также предусмотрено измерение угла диэлектрических потерь комплексного сопротивления в зависимости от частоты напряжения, приложенного к нему. Источник синусоидального сигнала 1 выполнен таким образом, что он может генерировать напряжение в широких пределах по частоте. Своим дополнительным выходом 7 он воздействует на управляющий вход 8 измерительной схемы 4 и с блока ее памяти выбирает то значение угла диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки δ₀, которое соответствует данной частоте. В этом случае угол диэлектрических потерь измеряемого комплексного сопротивления будет определяться в зависимости от частоты синусоидального сигнала, с учетом (δ₀), измеренной при данной частоте. Значение угла диэлектрических потерь в зависимости от частоты приложенного напряжения также будет сохранено в блоке памяти измерительной схемы под условным номером. На этом процесс измерения завершен.

Источники информации

1. А.С. №522476. Устройство для контроля угла потерь комплексных сопротивлений /Б.Н. Ковалев и Э.Б. Поважук //Открытия. Изобретения. 1976. №27.

2. А.С. №750390. Устройство для измерения параметров конденсатора /В.И. Бредихин и Б.Д. Простаков //Открытия. Изобретения. 1980. №27.

3. А.С. №1693566 A1. Устройство для определения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторов /Р.В. Булатов, М.Н. Пиганов и Д.В. Березкин//Открытия. Изобретения. 1991. №43.

Использование: при построении высокопроизводительных автоматических устройств для контроля и сортировки радиодеталей. Технический результат заключается в увеличении точности измерения при различных частотах приложенного напряжения и расширении функциональных возможностей. Устройство для определения параметров комплексного сопротивления содержит источник синусоидальных сигналов, первая выходная клемма которого соединена с общей шиной и является первой клеммой для подключения измеряемого комплексного сопротивления, а также двухканальную измерительную схему, активно-емкостную нагрузку, один выход которой подключен к общей точке соединения второй выходной клеммы источника синусоидальных сигналов и первого канала измерительной схемы, а другой вывод - к общей точке соединения второго канала измерительной схемы и второй клеммы для подключения измеряемого комплексного сопротивления. Измерительная схема включает в себя измерительно-вычислительный блок, блок памяти и индикации. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для определения параметров комплексного сопротивления, содержащее источник синусоидальных сигналов, первая выходная клемма которого соединена с общей шиной и является первой клеммой для подключения измеряемого комплексного сопротивления, а также двухканальную измерительную схему, отличающееся тем, что введена активно-емкостная нагрузка, один выход которой подключен к общей точке соединения второй выходной клеммы источника синусоидальных сигналов и первого канала измерительной схемы, а другой вывод - к общей точке соединения второго канала измерительной схемы и второй клеммы для подключения измеряемого комплексного сопротивления, измерительная схема, включающая в себя измерительно-вычислительный блок, блок памяти и индикации, определяет разность фаз между векторами напряжений источника синусоидальных сигналов и на измеряемом комплексном сопротивлении, их амплитуды напряжений и угол диэлектрических потерь измеряемого комплексного сопротивления.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при выборе в качестве измеряемого комплексного сопротивления конденсатора угол потерь определяется следующим образом:

δ_х=(δ₀-α-γ) при (α+γ)≤δ₀,

δ_х=(δ₀+α+γ) при (α+γ)>δ₀,

где δ₀ - значение угла диэлектрических потерь активно-емкостной нагрузки на частоте синусоидального сигнала, заложенное в блоке памяти измерительной схемы;

δ_х - угол потерь измеряемого комплексного сопротивления;

α - разность фаз между векторами напряжений источника синусоидальных сигналов (U) и на измеряемом комплексном сопротивлении (U₂),

угол (γ) определяется по формуле

где γ - разность фаз между векторами напряжения U и U₁;

U - напряжение источника синусоидальных сигналов;

U₂ - падение напряжения на измеряемом комплексном сопротивлении;

U₁ - напряжение на активно-емкостной нагрузке.

где С₀ - емкость активно-емкостной нагрузки, заложенная в блоке памяти измерительной схемы,

δ_х - угол потерь измеряемого комплексного сопротивления.

δ_х=(π-α-γ-δ₀),

где