Устройство для измерения емкости и тангенса угла потерь электрических конденсаторов Советский патент 1988 года по МПК G01R17/12 G01R27/02 

t

J

-5z5

Изобретение относится к измери тельной технике. Устройство выполне но по компенсационно-мостовой схеме и состоит из генератора 1, трансфор матора 2, инвертора 3, коммутатора 4, фазовращателя 5, индикатора разцового резистора 7 и образцового конденсатора 8. Цель изобретения, - повьшение точности измерения емкости и тангенса угла потерь - достига irtJ LfJ ется тем, что в одном положении переключающих элементов коммутатора 4 образцовый конденсатор 8 подключен к выходу инвертора 3, а образцовьпЧ резистор 7 - к выходу генератора 1, соединенного с первичной обмоткой трансформатора 2. Вторичная обмотка последнего при синфазном ее включении по отношению к первичной подключена к входу фазовращателя 5, к выходу которого подключен объект измерения. В другом положении переключающих элементов коммутатора 4 объект измерения подключен к выходу генератора 1, соединенного с первичной обмоткой трансформатора 2. Его вторичная обмотка, при протиАофазном ее включении по отношению к первичной, подключена к входу фазовращателя 5, к выходу которого подключена ветвь с образцовым конденсатором 8 и образцовым резистором 7. 1 ил S (Л 4Г4: 4

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах и автоматическом оборудовании для измерения и контроля электрических параметров электрических конденсаторов - емкости и тангенса угла потерь.

Цель изобретения - повышение точности измерения емкости и тангенса угла потерь за счет уменьшения влияния характеристик фазовращателя.

На чертеже представлена фун кцио- Нальная схема устройства.

Устройство содержит генератор 1, трансформатор 2, инвертор 3, комму- татор 4, фазовращатель 5, индикатор б, образцовые элементы - резистор 7 (ЕО), конденсатор 8 (Са) и клеммы 9,10 для под1 л очения объекта измерения емкость которого . Генератор

1питает переменным напряжением ветвь образцовых элементов и объекта измерения. Выход генератора соединен с. первичной обмоткой трансформа- Тора 2, входом инвертора 3 и переключающими элементами коммутатора 4, Трансформатор 2 имеет две оймотки, вторичная обмотка связана с переключающими элементами коммутатора, обеспечивающими ее синфазное или противофазное включение относительно первичной. Инвертор 3 в ьшолнен в виде трансформатора напряжения и имеет две противофазно включенные обмотки. Фазовращатель 5 обеспечивает фазовый сдвиг около 90 и построен по интегрирующей схеме.

Вход фазовращателя через переключающие элементы коммутатора 4 соединен с вторичной обмоткой трансформатора 2. .

Коммутатор состоит из 5-ти переключающих -элементов (4.1 - 4.5)5 изменяющих конфигурацию схемы в за ви- симости от своего положения. В положении I коммутатора 4 одна ветвь компенсационно-мостовой схемы образована образцовым резистором RQ, соединенным с генератором, и образцовым конденсатором Со, соединенным с генератором через инвертор 3, а вторая ветвь включает в себя трансформатор

2с вторичной обмоткой, соединенной с фазовращателем 5, к выходу которого подключен объект измерения. Включение обмоток трансформатора 2 в этом положении синфазное.

5

0

5

0

5

0

В положении II коммутатора 4 расположение элементов в ветвях изменяется: объект измерения подключается к в.ыходу генератора 2, а образцовые элементы - к выходу фазовращателя 5, вход которого по-прежнему соединен с вторичной обмоткой трансформатора 2, но при противофазном ее включении относительно первичной обмотки.

Работа схемы состоит в следующем.

В-положении I переключающих элементов коммутатора 4 изменением RO производится уравновещивание схемы по емкости, изменением Со - по тангенсу угла потерь. Уравнение равновесия схемы при этом имеет вид

иаКтрКфе (joJCv -t- -5-)

RX

и (1 +Aa)j(jCo,(1)

I

где Uj, 60 - соответственно напряжение и частота генератора 1 ;

КТР - коэффициент передачи

трансформатора;

и: -J- - с. - соответственно NIO- дуль коэффициента передачи и фазовый угол фазовращателя 5;

-эквивалентное сопротивление потерь конденсатора при. параллельной схеме замещения;

-коэффициент передачи инвертора 3.

Преобразуя (l) и вводя обозначеК

°р

R%

- (1 + Ди )

НИН

К-грКф созсС KV,

45

1

tg(5);.

можно записать условие равновесия схемы в виде системы уравнений:

f, 1

шЁоК Ji - tgrftgo;)

(1 +ДаЬСоЕо tgcf), + tgO(. (2)

- Переюточающие элементы коммутатора переводятся в положение II и вновь производится уравновешивание схемы. Уравнение равновесия при этом имеет вид

т т tr V- oJff °)- f

-и К-трКфе 2 ртJOCi)

.Ug.(jcDCx + -V-Ь

R).

где R

ID Cq - значения образцовых элементов при втором уравновешивании.

Аналогичное предыдущему преобразованию дает систему уравнений:

Cv

К Л 1 tgOC cJ- RoCL)

UCo Ro tgo( tgS.

Совместное решение (2) и (4) водит к следующим выражениям:

i- LiiipCoRots

- || л -

со

IRX

l-tgo tsc x

tg С,с

{CoRo-CoHo +AaCoRo) .

03 ( ) 2

Из уравнений (5) следует, что модуль коэффициента передачи фазовращателя не влияет на конечный результат измерений, а погрешность установки фазового угла фазовращателя с( не влияет на результат измерения тангенса угла потерь и вызывает пренебрежимо малую погрешность измерения емкоети Так, даже при о J , что соответствует коэффициенту усиления операционного усилителя, входящего в фазовращатель, равному 50, и при- 0,01 (предельное значение для массовых типов конденсаторов), дополнительная погрешность измерения емкости, вносимая фазовращателем, составляет всего 0,02%. Реально же-коэффициент усиления операционного усилителя может быть на один-два порядка выше, .а погрешность соответственно ниже. Таким образом, точность измерений емкости определяется только точностью поддержания частоты и параметрами образцовых рези с.торрв.

14А8291

10

15

20

25

30

35

40

Погретность коэффициента передачи инвертора Ди вызывает пренебрежимо малую погрешность измерения тангенса угла потерь. Изменение емкости образцового конденсатора Со не сказьгаается на погрешности определения Си, поэтому в качестве образцовых могут применяться обычные конденсаторы с допусковыми отклонениями ±{0,2-0%. Тангенс угла потерь этих конденсаторов не влияет на точность измерения . Вычисления по формулам (5) при построении автоматической измерительной системы могут осуществлйтьс микропроцессорным устройством, входящим в состав такой системы.

Применение более точных образцовых резисторов позволяет повысить точность измерения до ±0,01% без применения прецизионных операционных- усилителей и без проведения калибровок.

Экономический эффект от применения изобретения состоит в повышении точности измерения параметров конденсаторов в производственных условиях в 2-3 раза при одновременном снижении трудоемкости операции измерения за счет исключения калибровок измерительной цепи и увеличении достоверности результатов измерения в период между поверками. Kpot.ie того, снижается стоимость измерительного прибора, построенного на базе предлагаемого технического решения, по сравнению с прототипом за счет суще-, ственного упрощения схемы фазовращателя.

Формула изобретения

45

50

55

Устройство для измерения емкости и тангенса угла потерь электрических ковденсаторов, содержащего генератор, трансформатор напряжения, образцовый конденсатор и образцовый резистор, первые вьшоды которых соединены с первой клеммой для подключения объекта измерения и с первым входом индикатора, второй вход которого соединен с общей шиной, фазовращатель коммутатор в виде пяти переключающих элементов, отлич ающееся- тем, что, с целью повьшхения точности измерения, в него введен инвертор г в виде трансформатора напряжения, на- чало первичной обмотки которого соединено с первым выходом генератора, с началом первичной обмотки трансформатора напряжения, конец которой и второй выход генератора соединены с общей шиной, при этом второй вывод обраяцового конденсатора соеди иен с подвижным контактом первого переключающего элемента коммутатора, первый неподвижный контакт первого переключающего элемента соединен с концом вторичной обмотки инвертора, начало которой и конец первичной обмотки инвертора соединены с общей шиной, второй вывод образцового ре- зистора соединен с подвижным контактом второго переключающего элемента, первый неподвижный контакт которого соединен с первым выходом генератора, а второй неподвижный кон- такт - с вторым неподвижным контактом первого пере|:лючающего элемента

с выходом фазовращателя и с первым неподвижным контактом третьего переключающего элемента, подвижный контакт которого соединен с второй клеммой для подключения объекта измерения, а второй неподвижный контакт - с первым выходом генератора, вход фазовращателя соединен с подвижным контактом четвертого переключающего элемента, первый неподвижный контакт которого соединен с началом вторичной обмотки трансформатора напряжения и с первым неподвижным ; онтактом пятого переключающего элемента, второй неподвижный контакт которого соединен с вторым неподвижным контактом четвертого переключающего элемента и с Концом вторичной обмотки трансформатора напряжения, а подвижный контакт пятого переключающего элемента соединен с общей шиной.