СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ Российский патент 2009 года по МПК G01R19/10 

Описание патента на изобретение RU2349922C1

Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначено для измерения угла диэлектрических потерь диэлектрических материалов и может быть использовано в различных областях, где предъявляются повышенные требования к электрическим свойствам диэлектрических материалов, например в электронной и электротехнической промышленностях.

Угол диэлектрических потерь диэлектрика, определяемый разностью фаз между активной и реактивной составляющими переменного тока конденсатора с диэлектриком в его зазоре (или между активной и реактивной составляющими мощности), является одним из основных параметров, характеризующих электрические свойства диэлектрических материалов.

Известны способы измерения активной мощности, основанные на определении фазового сдвига между активной и реактивной составляющими переменного тока. Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является патент RU №2296338, МПК. G01R 21/06, 2007 (прототип). В способе-прототипе для измерения активной мощности переменного тока формируют электрическое напряжение, пропорциональное произведению напряжения на ток нагрузки. Из сформированного напряжения выделяют пульсирующие напряжения различной полярности. Суммируют пиковые значения этих напряжений и результат суммирования измеряют вольтметром. Ограничением способа является невозможность его прямого использования для измерения угла диэлектрических потерь.

Технический результат изобретения - упрощение процесса и повышение точности измерений угла диэлектрических потерь диэлектриков в широком частотном интервале, а также возможность автоматизации измерений.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе измерения угла диэлектрических потерь, включающем заполнение исследуемым диэлектриком зазора измерительного конденсатора и подачу на конденсатор синусоидального напряжения, согласно изобретению формируют переменное электрическое напряжение V, пропорциональное произведению напряжения на конденсаторе на ток конденсатора. Сформированное напряжение V преобразуют в два постоянных разнополярных напряжения Vmax и Vmin, одно из которых, например Vmax, равно пиковому значению положительной составляющей, а другое Vmin - пиковому значению отрицательной составляющей напряжения V. Напряжения Vmax и Vmin преобразуют в два постоянных напряжения V1 и V2, одно из которых V1 равно сумме, а второе V2 - разности абсолютных значений Vmax и Vmin. Измеряют напряжения V1 и V2, а искомую величину синуса угла потерь определяют по формуле

Для упрощения регистрации величины sinδ, регулируя сформированное напряжение V, добиваются единичного (или кратного единице) значения напряжения V1. При этом величину sinδ определяют непосредственно по показаниям вольтметра, измеряя напряжение V2.

Рассмотрим сущность заявленного способа. Пусть напряжение U на конденсаторе емкостью С, зазор между обкладками которого заполнен диэлектриком, изменяется во времени t по закону

U=Umsinδ(ωt),

где Um - амплитуда напряжения, ω - циклическая частота.

Ток в цепи идеального конденсатора без диэлектрических потерь

а с учетом диэлектрических потерь

где δ - угол диэлектрических потерь.

Мгновенная мощность с учетом потерь, определяемая как Pt=UI, будет

Используя известную формулу тригонометрии для мгновенной мощности получим

где

Преобразуем величину Pt в электрическое напряжение V так, чтобы V линейно изменялось с изменением Рt, т.е. V=kPt, где k - коэффициент преобразования. Получим

V=kA[sinδ+sin(2ωt-δ)].

Из последнего уравнения следует, что напряжение V представляет синусоидальные колебания удвоенной частоты 2ω, смещенные относительно оси времени на величину ΔV=kAsinδ. Пиковые разнополярные значения Vmax и Vmin этого напряжения достигаются в моменты времени, когда sin(2ωt-δ)=±1. Их абсолютные величины

Решая систему уравнений (1) и (2), получим

Как следует из (3), для определения sinδ достаточно измерить сумму V1 и разность V2 абсолютных величин пиковых напряжений синусоидального сигнала.

Более того, регулируя коэффициент преобразования k, можно добиться, чтобы суммарное напряжение V1 было кратно единице, т.е. V1=1·10N, где N - целое число, т.е. N=-2, -1, 0, +1, +2 и т.д. При этом величина sinδ будет кратной разностному напряжению V2=Vmax-Vmin, т.е.

Например, при N=0 (V1=1) показания вольтметра, измеряющего напряжение V2, будут численно равны измеряемому значению sinδ

(при V1=1).

Учитывая, что для малых углов sinδ=tgδ=δ, показания вольтметра в вольтах будут соответствовать измеряемому углу δ в радианах.

На фиг.1 приведены характерные временные зависимости различных электрических сигналов, поясняющие заявленный способ. На фиг.1,а напряжение U на конденсаторе синусоидально изменяется со временем (сплошная кривая). Ток i конденсатора без диэлектрических потерь опережает по фазе напряжение U на π/2 (пунктир). Ток I конденсатора с диэлектрическими потерями отстает по фазе от тока i на угол δ диэлектрических потерь (штрихпунктир). На фиг.1,б синусоидально изменяющееся напряжение V (сплошная кривая 1), пропорциональное произведению напряжения U на ток I конденсатора, смещено относительно оси времени ot на величину V2 (пунктирная прямая 4). Пунктирная прямая 2 соответствует постоянному напряжению Vmax, равному пиковому напряжению положительной составляющей переменного напряжения V. Пунктирная прямая 3 соответствует постоянному напряжению -Vmin, равному пиковому напряжению отрицательной составляющей напряжения V. Суммарное напряжение V1 является суммой абсолютных значений напряжений Vmax и Vmin, а разностное постоянное напряжение V2 - разностью этих напряжений.

На фиг.2 в качестве примера приведена принципиальная электрическая схема устройства, позволяющая реализовать заявленный способ. Конденсатор 1, зазор между обкладками которого заполнен исследуемым диэлектриком 2, подключен к генератору 3 напряжения звуковой частоты. В цепь конденсатора включен усилитель 4 тока, линейно преобразующий ток конденсатора в напряжение. Выходное напряжение генератора 3 и выходное напряжение усилителя 4 подаются на входы умножителя 5, выходное напряжение которого пропорционально произведению напряжения на конденсаторе на ток конденсатора. Напряжение на конденсаторе может быть достаточно большим и значительно превышать напряжение, допустимое для умножителя, потому на входе умножителя это напряжение уменьшается делителем напряжения, образованным, например, резисторами R1 и R2.

Переменное напряжение с выхода умножителя 5 подается на входы преобразователей 6 и 7. Один из преобразователей, например 6, преобразует это напряжение в постоянное стабилизированное напряжение +Vmax, численно равное пиковому значению положительной составляющей переменного напряжения. Второй преобразователь 7, аналогичный преобразователю 6, формирует постоянное стабилизированное напряжение -Vmin противоположной полярности, численно равное второму пиковому значению переменного напряжения.

Включенный на выходе преобразователя 7 инвертор 8 изменяет полярность выходного напряжения -Vmin преобразователя 7 на противоположную, т.е. на Vmin. Напряжения с выходов преобразователей 6 и 7 подаются на входы разностного усилителя 9, например на неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального операционного усилителя с единичным коэффициентом усиления. При этом на выходе усилителя 9 формируется напряжение V1=Vmax+Vmin. Напряжение с выхода преобразователя 6 и с выхода инвертора 8 подаются на входы разностного усилителя 10, аналогичного усилителю 9 так, что на выходе усилителя 10 формируется напряжение V2=Vmax-Vmin. Напряжения V1 и V2 измеряются вольтметрами 11 и 12 постоянного тока. Для достижения напряжения V1 кратного 1·10N (например, 10,1 или 0,1 В), на выходе умножителя 5 включен регулируемый делитель напряжения, например потенциометр R3.

Таким образом, в заявленном способе угол диэлектрических потерь δ (при малых потерях sinδ=tgδ=δ) преобразуется в непосредственно измеряемое постоянное электрическое напряжение, численно равное (или кратное) величине sinδ. Это позволяет упростить трудоемкие измерения, например при исследовании влияния частоты или амплитуды напряжения на измерительном конденсаторе. Упрощаются также длительные измерения, например при исследовании температурной зависимости угла диэлектрических потерь, позволяющие использовать автоматическую регистрацию, например запись результатов измерений на самописце.

Похожие патенты RU2349922C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКИХ И ПЛОСКИХ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 2006
  • Алейников Николай Михайлович
  • Алейников Алексей Николаевич
RU2303787C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОГО ПОТЕНЦИАЛА 1999
  • Алейников Н.М.
  • Алейников А.Н.
RU2156983C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 2004
  • Алейников Н.М.
  • Алейников А.Н.
  • Агошкин В.В.
  • Щербаков А.В.
RU2260811C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОСТАТОЧНОГО ЗАРЯЖЕНИЯ ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 2003
  • Алейников Н.М.
  • Алейников А.Н.
RU2231804C1
СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯДА И ЕГО СРЕДНЕГО ПОЛОЖЕНИЯ В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ 2004
  • Алейников Николай Михайлович
  • Алейников Алексей Николаевич
  • Попова Ирина Сергеевна
RU2287835C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 2005
  • Алейников Николай Михайлович
  • Алейников Алексей Николаевич
RU2296338C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ ПОЛНОГО ЗАРЯДА В ПЛОСКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ 2005
  • Алейников Николай Михайлович
  • Алейников Алексей Николаевич
RU2298199C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ 1994
  • Михеев Георгий Михайлович
RU2115131C1
ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА 2002
  • Алейников Н.М.
  • Алейников А.Н.
RU2251129C2
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ГЛИНОЗЕМА В ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ПРИ ПОЛУЧЕНИИ АЛЮМИНИЯ 2014
  • Симаков Дмитрий Александрович
  • Гусев Александр Олегович
  • Бакин Кирилл Борисович
RU2596560C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 349 922 C1

Реферат патента 2009 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначено для измерения угла диэлектрических потерь диэлектрических материалов. Способ измерения угла диэлектрических потерь включает в себя заполнение исследуемым диэлектриком зазора измерительного конденсатора и подачу на конденсатор синусоидального напряжения. При этом формируют переменное электрическое напряжение V, пропорциональное произведению напряжения на конденсаторе на ток конденсатора. Сформированное напряжение V преобразуют в два постоянных разнополярных напряжения Vmax и Vmin, одно из которых, например Vmax, равно пиковому значению положительной составляющей, а другое Vmin - пиковому значению отрицательной составляющей напряжения V, напряжения Vmax и Vmin преобразуют в два постоянных напряжения V1 и V2, одно из которых, V1, равно сумме, а второе, V2, - разности абсолютных значений Vmax и Vmin, измеряют напряжения V1 и V2, а искомую величину синуса угла потерь определяют по формуле Причем, регулируя сформированное напряжение V, добиваются единичного (или кратного единице) значения напряжения V1. При этом величину sinδ определяют непосредственно по показаниям вольтметра, измеряя напряжение V2. Технический результат - упрощение процесса и повышение точности измерений угла диэлектрических потерь диэлектриков в широком частотном интервале, а также возможность автоматизации измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 349 922 C1

1. Способ измерения угла диэлектрических потерь, включающий заполнение исследуемым диэлектриком зазора измерительного конденсатора и подачу на конденсатор синусоидального напряжения, отличающийся тем, что формируют переменное электрическое напряжение V, пропорциональное произведению напряжения на конденсаторе на ток конденсатора, сформированное напряжение V преобразуют в два постоянных разнополярных напряжения Vmax и Vmin, одно из которых Vmax равно пиковому значению положительной составляющей, а другое Vmin - пиковому значению отрицательной составляющей напряжения V, напряжения Vmax и Vmin преобразуют в два постоянных напряжения V1 и V2, одно из которых V1 равно сумме, а второе V2 - разности абсолютных значений Vmax и Vmin, измеряют напряжение V1 и V2, а искомую величину синуса угла потерь определяют по формуле

.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируя сформированное напряжение V, добиваются единичного (или кратного единице) значения напряжения V1, при этом величину sinδ определяют непосредственно по показаниям вольтметра, измеряя напряжение V2.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2349922C1

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 2005
  • Алейников Николай Михайлович
  • Алейников Алексей Николаевич
RU2296338C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ 2002
  • Михеев Г.М.
  • Михеев Г.М.
RU2215296C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ 1994
  • Михеев Георгий Михайлович
RU2115131C1
Способ измерения угла диэлектрических потерь 1952
  • Федотов М.П.
SU99921A1
АМОРТИЗИРУЮЩИЙ КАБЛУК 2001
  • Александров С.П.
  • Волкова Е.А.
RU2217027C2

RU 2 349 922 C1

Авторы

Алейников Николай Михайлович

Алейников Алексей Николаевич

Даты

2009-03-20Публикация

2007-11-07Подача