Калибратор напряжений Советский патент 1989 года по МПК G01R19/00 

litik 4:;

CD СО

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано при передаче размера единицы ВЧ- и СВЧ-напряжения в коаксиальных трактах передачи от образцовых средств измере шй к рабочим средствам измерени1.

Цель изобретения повышение точности и расширение диапазона частот компарируемых напряжений,

На фиг.1 представлена структурная схема- калибратора напряжений; на фиг.2 - поперечное сечение измерительного преобразователя калибратора напряжений в плоскости включения полупроводниковых терморезисторов„

Калибратор напряжений содержит высокочастотный генератор 1j подключенный выходом к входу измерительного преобразователя 2 напряжения.

Измерительный преобразователь 2 содержит проходной отрезок коаксиальной линии, состоящий из входного внешнего проводника 3, соединитель- ной гайки входного разъема 4 преобразователя 2, выходного внешнего проводника 5, входного внутреннего проводника 6, закрепленного на опорной диэлектрической шайбе 7, выходного внутреннего проводника 8, соединенного с входным внутренним проводником 6,, теплосвязанный полупроводниковый терморезистор 9, имеющий три вывода 10-12, и теплосвязанный полупроводниковый терморезистор 13, также с тремя выводами 14-16. Выводы 10 и 14 терморезисторов 9 и 13 подключены к входному внутреннему проводнику 6 в поперечной плоскости изм рительного преобразователя 2, перпендикулярной оси преобразователя 2.

8этой же поперечной плоскости сим- метрично по отношению к внутреннему проводнику 6 к первым обкладкам ос- новных конденсаторов 17 и 18 подключены выводы 11 и 15 терморезисторов

9и 13 соответственно, а К первым обкладкам дополнительных конденсаторов 19-и 20 подключены выводы 12 и 16 терморезисторов 9 и 13 соответственно. Вторые обкладки конденсаторов 17-20 подключены к входному внешнему проводнику 3 преобразователя 2.

Выходной внешний проводник 5 и вы ходкой внутренний проводник 8 образют выходной отрезок коаксиальной линии, заканчиваюшцйся стандартизированным соединителем типа розетка ,

подключенным к плоскости включения терморезисторов 9 и 13. К соедините1лю розетка измерительного преобра- зователя 2 подключена входным соединителем типа вилка полуволновая мера 2 волнового сопротивления проходного типа, состоящая из внешнего проводника 22, соединительной гайки входного разъема 23 и внутреннего проводника 24. К выходному соединителю типа розетка меры 21 волнового- сопротивления подключают компарируемое средством измерения напряжение.

К первым обкладкам конденсаторов 17 и 18 подключен самобалансирующийся терморезисторный мост 25 постоянного тока, к которому подключено отг/ счетное устройство 26.- К первым об- кла,кам основного 17 и дополнительного 19 конденсаторов, связанных с терморезистором 9, подключена первая пара выходных контактов сдвоенного двухпозиционного переключателя 27. К первым обкладкам основного 18 и дополнительного 20 конденсаторов, связанных с терморезистором 13, подключена вторая пара выходных контактов переключателя 27. К входной паре контактов переключателя 27 через конденсаторы 28 и 29 подключен выход генератора 30 низкой частоты. Выходное напряжение генератора 30 низкой частоты плавно регулируется. Так как теплосвязанный полупроводниковый терморезистор с тремя выводами симметричен относительно своего среднего вывода, то в калибраторе возможны три варианта включения выводов терморезисторов между входным внутренним проводником 6 преобразователя 2 и первыми обкладками конденсаторов

17-20.

В первом варианте з качестве выводов 10 и 14 терморезисторов 9 и 13, подключаемых к входному внутреннему проводнику 6 преобразователя 2, ис--- пользуют первые крайние выводы терморезисторов 9 и 13о В качестве выводо 11 и 15, подключаемых к первым обкладкам основных конденсаторов 17 и 18, используют средние выводы терморезисторов 9 и 13. В качестве выводов 12 и 16, подключаемых к первым обкладкам дополнительных конденсаторов 19 и 20, используют вторые крайние выводы терморезисторов 9 и 13.

Во втором варианте в качестве вывдов 0 и 14 терморезисторов 9 и 13,

:1

подключаемых к входному внутреннему проводнику 6 преобразователя 2, используют средние выводы терморезисторов 9 и 13. В качестве выводов II и 15, подключаемых к первым обкладкам основных конденсаторов 17 и 18, используют первые крайние выводы терморезисторов 9 и 13, а в качестве выводов 12 и 16, подключаемых к, пер- вым обкладкам дополнительных конденсаторов 19 и 20, используют вторы крайние выводы терморезисторов 9 и 13.

В третьем варианте в качестве выводов 10 и 14 терморезисторов 9 и 13, подключаемых к входному внутреннему проводнику 6 преобразователя 2, используют первые крайние выводы терморезисторов 9 и 13. В качестве выводов 11 и 15, подключаемых к первым обкладкам основных конденсаторов 17 и 18, используют первые крайние выводы терморезисторов 9 и 13. В качестве выводов 12 и 16, подключаемых к первым обкладкам дополнительных конденсаторов 19 и 20, используют средние выводы терморезисторов 9 и 1

Калибратор работает следующим образом.

В начале работы на выходах высокочастотного генератора 1 и генераторе 30 низкой частоты устанавливают нулевой уровень выходного сигнала.

При исходном состоянии калибратора устанавливают рабочее сопротивление терморезисторного моста 25 равным значению, при котором на терморезисторах рассеивается максимально допустимая рассеиваемая мощность. При этом может быть обеспечено ком- парирование максимально возможных значений напряжения.

Постоянный ток самобалансирующего терморезисторного моста 25 протекает через терморезистор 9 от его вывода 11 к выводу 10 и через терморезистор 13 от его вывода 1 к выводу 15. Так как терморезисторы 9 и 13 отличаются друг от друга по чувствительности, массе, теплоемкости, то необходимо выявить отличие их сопротивления на постоянном токе. Для этого перед проведением измерений к выходному соединителю типа розетка меры 21 волнового сопротивления проходного типа подключают вспомогательный отрезок коаксиальной линии, у которого между внешним и внутренним проводни

5

0

99

5

0

5

0

5

0

5

144

ками включен высокочастотный дроссель. Указанный отрезок линии с дросселем необходимо для замыкания по постоянному току входного и выходного, внешних проводников 3 и 22 преобразователя 2 и меры 21 волнового сопротивления с их входным и выходным внутренними проводниками 6 и 24.

По отношению напряжений между внешним проводником 3 преобразователя 2 и соответственно первой обкладкой конденсатора 17 и первой обкладкой конденсатора 18 определяют, какой из терморезисторов имеет большее сопротивление. Затем переключатель 27 устанавливают в положение, при котором генератор 30 подключается к терморезистору с большим сопротивлением. Устанавливают на высокочастотном генераторе 1 максимальный уровень высокочастотного напряжения, при котором высокочастотная мощность, рассеиваемая на терморезисторах, составляет 85-90% мощности смещения терморезисторов. Высокочастотный ток генератора 1 протекает через входной внутренний проводник 6 измерительного преобразователя 2 и разветвляется по четырем параллельным цепям, В первой из этих цепей высЬкочастотньм ток протекает от вывода 10 к выводу

11терморезистора 9 и через конденсатор 17 замыкается на входной внешний проводник 3 преобразователя 2. Во второй из этих цепей высокочастотный

ток протекает- от вьшода 10 к выводу

12терморезистора 9 и через конденсатор 19 замыкается на внешний входной проводник 3 преобразователя 2. Б третьей из этих цепей высокочастотный ток протекает от вывода 14 к выводу 15 терморезистора 13 и через конденсатор 18 замыкается на входной внешний проводник 3 преобразователя 2. В четвертой из этих цепей высокочастотный ток протекает от вывода

14 к вьшоду 16 терморезистора 13 и через конденсатор 20 замыкается на входной внешний проводник 3 преобразователя 2.

Таким образом, через входной внешний проводник 3 к высокочастотному генератору 1 течет высокочастотный ток такой же величины, как и ток через входной внутренний проводник 6 преобразователя 2. При протекании высокочастотных токов через терморезисторы 9 и 13 постоянный ток моста 25

51

автоматически уменьшается, обеспечивая при этом постоянство суммы сопротивлений термореэистора 9 между его выводами 10 и 11 и терморезистора 13 между его выводами 14 и 15. Вепи- чины сопротивлений терморезисторов 9 и 13 изменяются по отношению к их значениям при отсутствии высокочастотных токов, так как терморезисторы имеют разные чувствительности, сопротивления и проводимости.

Затем устанавливают нулевой выходной уровень высокочастотного генератора 1 и вначале небольшой начальный уровень на выходе генератора 30.

Измеряют отношение сопротивлений терморезисторов 9 и 13. Затем у-ста- навливают максимальный выходной уровень высокочастотного генератора 1 и вновь измеряют отношение сопротивлений терморезисторов при нулевом выходном уровне генератора 1, еще ра увеличивают выходной уровень генератора 30, и при нулевом выходном уровне высокочастотного генератора 1 измеряют отношение сопротивлений терморезисторов 9 и 13. При увеличении выходного сигнала генератора 30 сопротивление терморезистора с боль- шим исходным сопротивлением уменьшат ется, а сопротивление другого терморезистора увеличивается

Таким образом-, постепенно увеличивают выходной уровень генератора 30 низкой частоты до тех nopj пока не получают одинакового соотношения сопротивлений терморезисторов 9 и 13 при нулевом выходном уровне высокочастотного генератора I и при макси- мальном выходном уровне генератора 30. В этом случае приращение мощности постоянного тока на каждом из терморезисторов равно приращению мощности высокочастотного тока, что обесп€1чивает условие стабилизации сопротивлений проводимостей терморезисторов 9 и 13, при котором отношение их сопротивлений райно отношению их проводимостей.

Отрегулировав требуемый выходной уровень генератора 30 низкой частоты в дальнейшем поддерживают этот уровень постоянным в течение всего измерения на заданной частоте.

Затем вспомогательньш отрезок коаксиальной линии, содержащий высокочастотный дроссель, отключают от выхода розетка меры 21 волнового

0 5 0

Q

5

0

U6

сопротивления и подключают вместо него образцовое средство измерений напряжения.

Образцовое средство измерений напряжения отградуировано по напряжению в его отсчетной измерительной плоскости. В качестве такой плоскости в подавляющем числе случаев используют входную плоскость коаксиального соединителя, включенного на входе образцового средства измерений, т.е. начало регулярной части внутреннего проводника коаксиального соединителя. Однако отсчетная измерительная плоскость в некоторых случаях с целью повышения точности измерений может быть выбрана на некотором расстоянии от входной плоскости коаксиального соединителя. В этом случае между входной и отсчетной измерительной плоскостями оказывается включенным отрезок коаксиальной с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению коаксиальной линии определенной дпины.

Волновые сопротивления отрезка коаксиальной линии, состоящего из выходного внешнего проводника 5 и выходного внутреннего проводника 8 измерительного преобразователя 2 и меры 21 волнового сопротивления, состоящей из внещнего проводника 22 и внутреннего проводника 24, равно волновому сопротивлению коаксиальной линии, а длина меры 21 волнового сопротивления выбирается в каждом случае такой, чтобы между плоскостью включения терморезисторов 9 и 13 преобразователя 2 и отсчетной измерительной плоскостью образцового или поверяемого средства измерения напряжений оказывалась включенной воздушная коаксиальная линия с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению линии, длина которой кратна половине длины волны в коаксиальной линии, чем обеспечивается независимость показаний калибратора ВЧ- и СВЧ-напряжений от импеданса образцового или поверяемого средства измерений напряжения.

Находят калибровочный коэффициент калибратора, равный отношению измерен- ного напряжения на образцовом средстве измерений осред- ненному показанию отсчетного устройства калибратора UK:

К /и° ,

где и° -4-;зТ- (и

« 2rT+oiJ

2 7

1Г

ко К

7,iA/t9914

где об - отношение сопротивлений

терморезисторов;

, - напряжения постоянного тока на терморезисторах 9 и 13, равные выходному напряжению терморезисторного моста при нулевом выходном уровне генератора 1 и при уровне, обеспечивающем.ра- ю венство показания калибратора соответственно. Отключают образцовое средство измерений и к выходу меры 21 волнового сопротивления подключают поверяемое 15 средство измерений напряжения. При этом поверяемое средство измерений должно иметь отсчетную измерительную плоскость на таком же расстоянии от отсчетной плоскости соединителя, как 20 у образцового средства измерений, В противном случае должна использоваться мера волнового сопротивления другой длины, обеспечивающая полуволноный к коаксиальному измерительному преобразователю напряжения, в поперечном сечении которого размещены два полупровод шковых терморезистора, подключенные первыми выводами к внутреннему проводнику коаксиального измерительного преобразователя, а вторыми выводами - к первым обкладкам двух конденсаторов, вторые обкладки которых соединены с внешним проводником коаксиального измерительного преобразователя, выходной отрезок коаксиальной линии, подключенный к плоскости включения терморезисторов коаксиального измерительного преобразователя, самобапансир тощийся тер- морезисторный мост постоянного тока, подключенный к первым обкладкам конденсаторов и индикатору, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона частот компарируемых напряжений, введены два дополнительных конвую воздушную коаксиальную линию меж-25 денсатора, сдвоенный двухпозиционный

ду плоскостью включения терморезисторов 9 и 13 преобразователя 2 и отг . счетной измерительной плоскостью,

Отсчетным устройством калибратора измеряют напряжение на терморезисто- pax 9 и 13 , когда установлен нулевой выходной уровень высокочастотного генератора 1, и затем напряжени на терморезисторах при установлении требуемого для поверки выходного уровня генератора 1 UK, .

Значение напряжения на компараторе uj) вычисляют по формуле

-. и.

:2 Ко

л fJ

- и

1

)

к 2ГТ+) Одновременно измеряют значение напряжения на поверяемом средстве измерений напряжения U. Действительное значение напряжения в отсчетной плоскости поверяемого средства измерений рассчитывают по формуле и.пдейс.-Ки;: .

Формула изобретения

„ 5

Калибратор напряжений, содержащий высокочастотный генератор, подключенный к коаксиальному измерительному преобразователю напряжения, в поперечном сечении которого размещены дв полупровод шковых терморезистора, подключенные первыми выводами к внутреннему проводнику коаксиального измерительного преобразователя, а вторыми выводами - к первым обкладкам двух конденсаторов, вторые обкладки которых соединены с внешним проводником коаксиального измерительного преобразователя, выходной отрезок коаксиальной линии, подключенный к плоскости включения терморезисторов коаксиального измерительного преобразователя, самобапансир тощийся тер- морезисторный мост постоянного тока, подключенный к первым обкладкам конденсаторов и индикатору, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона частот компарируемых напряжений, введены два дополнительных кон

зо ,

40

45

50

переключатепь, генератор низкой частоты, согласованная полуволновая мера волнового сопротивления проходного типа, при зтом каждый полупроводниковый терморезистор выполнен теплосвя- занным с тремя выводами, третий вывод которого подключен к первой обкладке дополнительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с внешним проводником коаксиального измерительного преобразователя, первая пара выходных контактов сдвоенного двухпозиционного переключателя присоединена к первым обкладкам основно- го и дополнительного конденсаторов, связанных с первым терморезистором, а вторая пара выходных контактов присоединена к первым обкладкам основного и дополнительного конденсаторов, связанных с вторым терморезистором, выход генератора низкой частоты подключен к входной паре контактов сдвоенного двупозиционного переключателя, а согласованная мера волнового сопротивления проходного типа подключена к выходу отрезка коаксиальной линии.

Т

Изобретение относится к области электрических измерений и м.б. использовано при передаче размера единиц ВЧ- и СВЧ-напряжения в коаксиальных трактах передачи от образцовых средств измерений к рабочим средствам измерений. Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона частот компарируемых напряжений. Для достижения цели в устройство введены два дополнительных конд-ра, сдвоенный двухпозиционный переключатель, генератор низкой частоты, согласованная полуволновая мера волнового сопротивления проходного типа, при зтом каждый полупроводниковый терморезистор выполнен теп- лосвязанным с тремя выводами. Изобретение позволяет обеспечить стабилизацию проводимосТей и сопротивлений каждого из терморезисторов при изменении уровня компарируемых напряжений и, кроме того, независимость показаний компаратора от импеданса компарируемых средств измерений. 2 ил. с сл

30 (рив.1

.

19

12

20

Фие.2