Устройство для измерения реактивностей Советский патент 1985 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано для измерения характеристик индуктивности и емкости. Известно устройство, содержащее цепи подмагничивания, возбуждения и измерительную. Один соленоид, питае кый аккумулятором, создает постоянное магнитное поле, второй соленоид переменное подмагничивающее поле с помощью звукового генератора. Исследуемый ферромагнитный образец подвешивают на вольфрамовой проволок и помещают в фарфоровзто трубку, Йуль-индикатором определяют напряжение в измерительной катушке без образца и с образцом. Зная сечения измерительной катушки и образца, а также напряжение в измеритель ной катушке без образца и с образцом, можно рассчитать дифференциаль ную восприимчивость сердечника СО. К недостаткам устройства следует отнести необходимость расчета харак теристик и наличие больших погрешкостей, вызванных испытанием образца не в реальной системе. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, позволякяцее наблюдать емкостные характеристики диодов, со держащее один трансформатор с обмот ками смещения и накачки, к обмоткам смещения подключены два диода, резистор балансировки с источником смещения, второй трансформатор измерительной обмоткой и двумя резонансньми. К измерительной обмотке подключен генератор высокой частоты к резонансным обмоткам подключены нелинейные конденсаторы. Первый трансформатор понижает на пряжение сети, которое после однопо лупериодного выпрямления используется для создания медленно изменяющегося смещения на диоды, а также для развертки по входу X осциллографа . На исследуемые диоды подается медленно изменяющееся смещение и высокочастотное напряжение с втор го трансформатора. Исследуемые диоды совместно с активной нагрузкой образуют делитель напряжения для высокочастотной составлякидей, величина которой зависит от реактивного сопротивления последних. Высокочаст нее напряжение, пропорциональное ве личине емкости, снимается с активного сопротивления и подается на У вход осциллографа. Устройство позволяет быстро производить сортировку диодов по реактивным характеристикам С23. Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности и низкая точность измерений вследствие некоторого компромисса между величиной тока через исследуемые диоды и чувствительностью осциллографа. Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения реактивностей, содержащее один магнитопровод с обмоткой накачки, к которой подключен генератор накачки, и обмоткой смещения, к которой подключены два диода, резистор балансировки и сточником смещения, другой магнитопровод с обмотками из-. мерительной и резонансной, к измерительной обмотке подключен генератор высокой частоты, к резонансной обмотке - конденсатор, введены на один магнитопровод обмотки подмагничивания, измерительные, на другой магнитопровод - обмотки смещения, накачки, подмагничивания и резонасная, источник подмагничивания, причем резистор балансировки с источником смещения включены между последовательно и согласно соединенными обмотками смещения, обмотки накачки соединены последовательно и согласно и подключены к генератору накачки, измерительные обмотки соединены последовательно и встречно, параллельно измерительным обмоткам подключены цепочки из последовательно соединенных линейного конденсатора и параллельного LC-резонансного контура и резистора с генератором высокой частоты, обмотки подмагничивания соединены последовательно и согласно и подключены к источнику подмагничивания, а к резонансным обмоткам, соединенным последовательно и встречно, подключен линейный конденсатор, выход LC-контура подключен к детектору, выход которого через фильтр соединен с входом вертикального отклонения осциллографа, вход горизонтальной развертки которого соединен

3 1

с общим выводом диодов цепи накачки.

Кроме , в него введен второй источник смещения, причем к измерительным обмоткам подключены нелинейный конденсатор с вторым источником смещения.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для измерения реактивностей.

Устройство содержит три магнитопровода 1 - 3 с обмотками 4 накачки, соединенными последовательно и согласно и подключенными к генератору 5 накачки, к обмоткам 6 смещения, соединенньми последовательно и согласно подключены два диода 7, между обмотками 6 смещения включен резистор 8 балансировки с источником 9 смещения, обмотки 10 подмагничивания, соединенные последовательно и согласно, подключены к источнику 11 подмагничивания, параллельно измерительным обмоткам 12, соединенным последовательно и встречно подключена цепочка из последовательно соединенных линейного конденсатора t3 и параллельного LC-контура 1А, а также цепочка из резистора 15 и генератор 16 высокой частоты, к резонансным обмоткам 17, соединенным последовательно и встречно подключены линейный конденсатор 18 и второй источник 19 смещения (параметрический резонансный контур). С диодов 7 подается сигнал горизонтальной развертки осциллографа 20, на LC-контуре 14 выделяется высокочастотное промодулированное напряжение, огибающая которого выделяется детектором 21 и фильтром 22 и подается на вход вертикальной развертки осциллографа 20.

При больших интенсивностях полей накачки, когда достигается глубокое насьпдение магнитных сердечников, система становится существенно нелинейной и расчету не поддается без экспериментально снятых характеристик системы в рабочем режиме. Одной из характеристик, определяющей закономерность физических процессов в системе является динамическая индуктивность L,, позволяющая определить коэффициент модуляции и мгновенное значение индуктивности, вно симую энергию и т.п.

Сущность измерения динамической индуктивности заключается в следующем.

149185Л

Динамическая индуктивность (емкость) реальной системы в рабочем режиме пропорциональна падению напряжения V высокой (несущей) час5 тоты на измерительных 12 или резона 17 обмотках параметрической системы:

KXJ,

где К - масштабный коэффициент;

Х( - индуктивное сопротивление измерительных (резонансных обмоток;

, - амплитудное значение тока

несущей (высокочастотного генератора) .

Следовательно, чтобы получить напряжение пропорциональное L, необходимо наличие тока высокой частоты в обмотках 12 или 17. Однако введение тока несущей в резонансные обмотки 17 изменят режим работы системы. Поэтому этот прием не годится. Исключить влияние генератора несу-щей на систему можно следующими методами,

Первый - выбирается число витков измерительных обмоток 12 значительно превышающее число витков резонансных обмоток 17, чтобы измерительная цепь не шунтировала резонансный параметрический контур. Этот путь не всегда приемлем из-за

ограниченности окна магнитного сердечника и усложнения технологии нанесения обмоток.

Выбран второй, более прогрессивный метод: вводится третий магнитопровод 2 с соответствующими обмотками, причем этот магнитопровод 2 должен быть идентичен магнитопроводам 1 и 3 и работать с ними в одном режиме (соответствие числа витков

всех обмоток, общие источники питания и т.д.). Исключение влияния напряжения накачки на измерительный и резонансный контуры достигается тем, что используются два магнитопровода в этих контурах и по две встречно соединенные обмотки, при равенстве числа витков обмоток, напряжение накачки не трансформируется в эти контуры, так как обмотки накачки соединены последовательно и согласно. При этом напряжение пропорциональное L снимается с измерительных обмоток 12.

Устройство для измерения характеристик реактивностей работает следующим образом.

.. Для случая индуктивной системы источник 19 смещения исключается, а используется только конденсатор 18. По обмоткам накачки 4 протекает ток генератора 5 накачки и насьпдает периодически магнитопроводы 1-3. Если энергия, вносимая энергоемкими элементами больше активных потерь, то в параметрическом резонансном контуре (обмотки 17 и линейный конденсатор 18) воздуждаются параметрические колебания (усилены случайные электрические сигналы с правильной фазой и соответствующей частотой, которые всегда присутствуют в контуре) .

Величина тока накачки определяет глубину модуляции индуктивности, т.е. реактивное сопротивление магнитопроводов 1-3.

Контур 14 настроен на частоту генератора 16, величина крнденсатора 13 выбирается такой чтобы исключить попадание в контур 14 (следовательно на осциллограф 20) параметрических колебаний из обмоток 12. Частота генератора накачки должна быть в десять и больше раз меньше частоты генератора высокой частоты. Тогда на контуре 14 выделяется только колебания высокой частоты, промодулированные измерением реактивньк сопротивлений магнитопроаодов 1 и 2.

Напряжение накачки трансформируется в обмотке 6 смещения,балансируется с помощью резистора 8 и по дается на вход X осциллографа 20. На вход У осциллографа 20 подается огибающая высокочастотного сигнала. При этом на экране осциллографа 20 наблюдается кривая изменения динами ческой индуктивности во времени.

Мгновенное значение индуктивност на кривой Ьд определяется следукмцим образом.

Отключаются от схемы резонансные обмотки 17 и замеряется их суммарная индуктивность в холодном режиме (отключены все источники питания Индуктивность резонансных обмоток При отсутствии подмагничивания сердечников является эталоном, с которм при определении мгновенного зчения индуктивности параметрическог

резонансного контура нелинейной системы, производится сравнение.

Подключаются резонансные обмотки и при включенном генераторе несущей частоты и отключенных источниках накачки и подмагничивания измеряются амплитуда несущей частоты на экране осциллографа. Эта амплитуда соответствует индуктивности параметрического резонансного контура нелинейной системы при токах накачки и подмагничивания равных нулю.

Значение динамической индуктивности параметрического резонансного контура при произвольном мгновенном значении тока накачки и тока подмагничивания (в заданном рабочем режиме), вычисляется следующим образом:

V

УС

Уа

где L(,, у - соответственно значения индуктивности резонансных обмоток 17 и координаты У на экране осцилографа при выключенных генераторе 5 накачки и источнике 11 подмагничивания,

у - координата точки, соответствуивдей заданньач значениям токов накачки и подмагничивания. Таким образом, предлагаемое устроство позволяет производить подбор реальных параметрических систем, а не элементов системы как в известных устройствах, так как форма L, однозначно определяет основные параметры нелинейной системы; позволяет экспериментально снимать L существено нелинейной системы в рабочих режимах, что открывает широкие возможности при исследовании и проектирвании новых существенно нелинейных систем, это значительно расширяет функциональные возможности предлагаемого устройства.

Для случая емкостной системы в качестве нелинейного элемента вводятся исследуемые диоды,варикапы и т.п., а магнитопроводы 1-3 должны работать в линейном режиме. Рабочая точка диодов выбирается с помощью источника смещения 19. В остальном процесс измерения динамической емкости подобен рассмотренному примеру. В известном устройстве вместо ко тура. 14 используется активное сопро тивление. Это приводит к необходимости пропускать по обмотке возбуждения высокой частоты относительно больший ток при использовании осциллографом одной и той же чувствительности. Кроме того, повьшение этого тока приводит к заметному вли нию на работу параметрического генератора, а следовательно к ухудшению точности измерений. Введение линейного резонансного контура 14 позволяет значительно (пропорционально добротности -этого контура) увеличить амплитуду высокочастотного напряжения, подаваемого на детектор огибающей. При этом- появилас возможность при использовании осцил лографа с той же чувствительностью, что и в известном устройстве значительно снизить ток, протекающий по обмоткам высокой частоты, а это в свою очередь позволяет значительно повысить точность измерений. Введение обмоток смещения и подмагничивания позволяет производить измерения в любых режимах работы нелинейной системы. Таким образом, введение этих элементов расширяет функциональные возможности устройства, так как позволяет исследовать индуктивные и емкостные характеристики энергоемких элементов в любых режимах работы. Введение в устройство третьего сердечника, а главным образом резонансного контура 14 позволяет значительно повысить точность измерений. Предложенный метод получения динамических характеристик реактивных элементов позволяет создать новые методы проектирования устройств на нелинейных элементах с учетом их реальных параметров.

.1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕАКТИВНОСТЕЙ, содержащее один магнитопровод с обмоткой накачки, к которой подключен г.енератор накачки, и обмоткой смещения, к которой подключены два диода, резистор балансировки с источником смещения, другой магнитопровод с обмотками измерительной и резонансной, к измерительной обмотке подключен генератор высокой частоты, к резонансной обмотке конденсатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей, в него введены , йа один магнитопровод обмотки подмагничивания, измерительные, на другой магнитопровод - обмотки смещения, накачки, подмагничивания и резонансная, источник подмагничивания, причем резистор балансировки с источником смещения включены между последовательно и согласно соединенными обмотками смещения, обмотки накачки соединены последовательно и согласно и подключены к генератору накачки, измерительные обмотки соединены последовательно и встречно, параллельно измерительным обмоткам подключены цепочки из последовательно соединенных линейного конденсатора и параллельного LC-peзонансного контура и резистора с генераторо высокой частоты, обмотки подмагничивания соединены последовательно и согласно и подключены к источнику подмагничивания, и к резонансньм обмоткам, соединенным последовательно и встречно, подключен линейный конденсатор, выход ЪС-контура подключен к детектору, выход которого через фильтр соединен с входом вертикального отклонения СО 00 осциллографа, вход горизонтальной развертки которого- соединен с общим вьгеодом диодов цепи накачки. ел 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен второй источник смещения, причем к измерительным обмоткам подключены нелинейный конденсатор с вторым источником смещения.