Способ балансировки высоковольтного делителя напряжения и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01R15/04 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в масштабных преобразователях измерительной техники, электротехнике, радиотехнике для измерения времени переходных процессов на выходе управляемого источника высокого напряжения.

Известны способы балансировки для обеспечения компенсированности высоко- вольтного делителя напряжения. Однако они имеют низкую точность

Известны устройства балансировки для обеспечения компенсированности высоко- оольтного делителя напряжения, однако они имеют малую точность из-за изменения емкости с изменением температуры окружающей среды, из-за зависимости емкости высоковольтного конденсатора от напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ балансировки для обеспечения компенсированности делителя напряжения, включающий подачу напряжения на вход высоковольтного делителя, пропорционального его уменьшения и осцилло- графирование.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является и содержащее осцилло- .граф, высоковольтный делитель напряжения, состоящий из высоковольтного и низковольтного плеч, первый контакт для подключения к высоковольтному источнику напряжения, второй контакт для подключения к выходу высоковольтного делителя напряжения, который соединен с выходом высоковольтного делителя напряжения, вход которого соединен с первым контактом, второй вывод низковольтного плеча высоковольтного делителя напряжения соединен с общей шиной.

Недостатками способа и устройства являются низкая точность из-за невозможности точного установления импульса прямоугольной формы на выходе делителя напряжения на фоне выходного напряжения из-за низкой точности осциллографиче- ского метода (3-5) %.

В известном способе имеется большое влияние паразитных емкостей, имеется зависимость емкости высоковольтного конденсатора от напряжения, температуры, что снижает точность измерения, особенно в производственных условиях при жестких требованиях к габаритным размерам делителя напряжения и использованной в нем элементной базы, что вынуждает применять в высоковольтном плече делителя керамические конденсаторы, например, типа КВИ- 2, т.е. компенсированный делитель оказывается действительно компенсированным только для одного значения напряжения при известной температуре.

Целью изобретения является повышение точности, упрощение устройства. Применение предлагаемого способа и устройства для его реализации позволяет существенно повысить точность измерений и упростить устройство.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается способ балансировки высоковольтного делителя напряжения, включающий подачу напряжения на вход высоковольтного делителя, пропорционального его уменьшения и осциллографирова- ние, в котором, подача напряжения производится с выхода управляемого высоковольтного источника напряжения, выходное напряжение высоковольтного делителя осциллографируют осциллографом на пер- аом дифференциальном входе, на второй вход осциллографа подают напряжение с регулируемого источника напряжения, с помощью которого производят совмещение

на экране осциллографа линии, соответствующий разности входных напряжений, с линией, соответствующей нулевой разности входных напряжений, совмещают умень5 шенный уровень импульсного напряжения на экране осциллографа с помощью изменения значения емкости в низковольтном плече высоковольтного делителя напряжения, причем постоянную времени плеч высоко0 вольтного делителя напряжения выбирают больше длительности переходного процесса, начиная с участка наиболее отдаленного от начала переходного процесса до максимально возможного совмещения.

5 Поставленная цель достигается тем, что предлагается устройство, содержащее осциллограф, высоковольтный делитель напряжения, состоящий из высоковольтного и низковольтного плеч, первый контакт для

0 подключения к высоковольтному источнику напряжения, второй контакт для подключения к выходу высоковольтного делителя напряжения, который соединен с выходом высоковольтного делителя напряжения,

5 вход которого соединен с первым контактом, второй вывод низковольтного плеча высоковольтного делителя напряжения соединен с общей шиной, в котором, введены управляемый высоковольтный источник на0 пряжения, устройство управления, повтори- тель напряжения, делитель напряжения, усилитель, конденсатор и регулируемый источник напряжения, выход которого соединен с вторым входом осциллографа, первый

5 вход которого соединен с выходом повторителя, вход которого соединен с выходом высоковольтного делителя напряжения и через конденсатор с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом делителя

0 напряжения, вход которого соединен с первым входом осциллографа, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу устройства управления, второй выход которого соединен с управляющим вхо5 дом управляемого высоковольтного источника напряжения, в котором между входом осциллографа и вторым контактом для подключения к выходу высоковольтного делителя напряжения включено вычитаю0 щее устройство, второй вход которого соединен с выходом регулируемого источника напряжения, выход вычитающего устройства через выключатель и цепь ограничения соединен с общей шиной, к которой под5 ключей и второй вход осциллографа.

Именно выбор постоянной времени высоковольтного плеча намного большей дли- тельности переходного процесса, регулировка .постоянной времени нижнего

плеча при больших значениях емкостей, доходящих до нескольких микрофарад и совмещение на экране осциллографа изображения в статическом и динамическом режиме позволяет достичь поставленную цель. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны единым изобретательским замыслом.

Сравнения заявляемого способа с прототипом позволило установить соответствие его критерию ноаизна.

Известен способ измерения высоких напряжений, заключающийся в изменении постоянной времени нижнего плеча высоковольтного делителя. Однако предлагаемый способ имеет более высокую точность за счет предварительного измерения уровня выходного напряжения в статическом режиме совмещения изображения на экране осциллографа.

Это позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию существенные отличия.

Сопоставительный анализ предлагаемого устройства с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков; повторителя напряжения, первого делителя, усилителя, третьего конденсатора, вычитающего устройства, цепи ограничения и связями между ними.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения новизна.

Противопоставленное устройство имеет более низкую точность из-за зависимости емкости высоковольтного конденсатора от температуры, напряжения, что приводит к некомпенсированности высоковольтного делителя.

Предлагаемое устройство имеет более высокую точность за счет меньшего влияния паразитных емкостей, возможности обеспечения точной компенсации делителя на напряжении измеряемого уровня.

Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию существенные отличия.

На фиг.1 приведена схема устройства для компенсации высоковольтного делителя, реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 - схема устройства компенсации высоковольтного делителя напряжения, на фиг.З - схема вычитающего устройства с ограничением согласно п.З формулы изобретения; на фиг.4 - эпюры, поясняющие работу устройства.

Устройство (фиг.1) содержит первый контакт 1 для подключения к управляемому источнику 2 напряжения, третий контакт 3 для подключения к эквивалентной схеме нагрузки 4 и содержащей конденсатор 5, включенный между контактом 3 и общей шиной устройства, высоковольтный делитель напряжения, содержащий низковольтное плечо 6, состоящее из параллельно включенных 5 первого резистора 7-R1 и первого конденсатора 8-С1, высоковольтное плечо 9, содержащее параллельно включенные второй резистор 10-R2 и второй конденсатор 11-С2, осциллограф 12, устройство управления 13,

10 регулируемый источник 14 напряжения, второй контакт для подключения к выходу высоковольтного делителя 15.

Первый контакт 1 подключен к выходу высоковольтного источника 2 и третьему

15 контакту 3, второй контакт 15 соединен с входом У1 осциллографа 12 с дифференциальным входом и через низковольтное плечо 6 с общей шиной устройства, на вход осциллографа У2 подается регулируемое

0 опорное напряжение с источника 14, на вход синхронизации осциллографа подаются импульсы, несущие информацию о начале переходного процесса.

Устройство (фиг.2) содержит первый

5 контакт 1 для подключения к управляемому высоковольтному источнику, третий контакт 3 для подключения к эквивалентной схеме нагрузки 4, высоковольтный делитель напряжения, содержащий низковольтное пле0 чо 6, включающее параллельно соединенные первый резистор 7-R1 и первый конденсатор -8-С1, высоковольтное плечо 9 высоковольтного делителя напряжения, включающее второй резистор 10-R2, второй конденсатор 11-С2,

5 осциллограф 12, устройство управления 13, источник регулируемого опорного напряжения 14, второй контакт для подключения к выходу высоковольтного делителя напряжения 15, третий конденсатор 16-СЗ, повтори0 тель напряжения 17, первый делитель напряжения 18, выполненный на третьем 19 и четвертом 20 резисторах, усилитель 21, первый контакт 22.

Устройство (фиг.З) включает вычитаю5 щее устройство 23 с первым 24-У1 и вторым 25-У2 входами, цепь ограничения 26, выключатель 27, контакт для подключения к входу осциллографа 28.

Выход вычитающего устройства под0 ключей к ко нтакту для подключения к входу осциллографа и через выключатель и цепь ограничения к общей шине устройства.

На фиг.4 29 - эпюра выходного напря- 5 жения при постоянной времени нижнего плеча меньшей постоянной времени верхнего плеча, 30 - эпюра выходного напряжения при постоянной времени нижнего плеча большей постоянной времени верхнего пле- ча. 31 - эпюра выходного напряжения при

постоянной времени верхнего плеча, равной постоянной времени нижнего плеча.

Все эпюры приведены для условия, что нулевая линия совмещена с уровнем напряжения на выходе высоковольтного делителя того напряжения, на которое производится переключение. Сплошной линией показаны эпюры напряжения для масштаба времени t, а пунктиром для времени . На эпюре 31 приведено также измерение времени переходного процесса Т от момента переключения уровней на выходе управляемого источника по уровню +1% от установившегося значения.

Балансировку для обеспечения условия компенсированное™ высоковольтного делителя производят следующим образом.

На выходе высоковольтного источника 2 (фиг. 1) устанавливается то напряжение, на которое производится переключение - статический режим. Это напряжение подается на вход У1, осциллографа 12с дифференциальным входом и изменением напряжения источника 14 совмещают линию развертки на экране осциллографа с линией нулевого напряжения - производят измерение выходного напряжения с выхода высоковольтного делителя. Устанавливают точку начала развертки в заданное место экрана,

Устройством управления переключают управляемый высоковольтный источник в автоколебательный режим. Развертка осциллографа синхронизируется с импульсом управления переключения на тот уровень, длительность переключения на который измеряется. Изменением постоянной времени нижнего плеча 6 - значения емкости конденсатора С1 линия, соответствующая уровню, на который происходив переключение, максимально совмещается с линией нулевого уровня - линией ранее измеренного напряжения с выхода высоковольтного делителя напряжения. При этом выполняется условие компенсированности высоковольтного делителя. Одновременно при этом возможно измерить время переходного процесса по заданному уровню. Время переходного процесса измеряют по экрану осциллографа от точки начала развертки при условии его синхронизации. При этом уровни измерения могут быть близкими к напряжению в статическом режиме, например (0,5-2%) от установившегося значения,- чю позволяет контролировать время переходных процессов высоковольтных коммутаторов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Напряжение с управляемого источника высоковольтных импульсов подается на

плечи 6, 9 высоковольтного делителя. Значение постоянной времени высоковольтного плеча делителя напряжения выбирается намного больше длительности переходного

процесса при значении емкости конденсатора С2 намного большей паразитных емкостей высоковольтного делителя, а значение постоянной времени нижнего плеча 6 путем выбора номинального значения конденса0 тора С1 выбирается примерно меньше постоянной времени верхнего плеча, что необходимо для уменьшения влияния наводок и предотвращения появления значительных импульсных напряжений на входе

5 повторителя 17.

Напряжение с выхода высоковольтного делителя подается через повторитель напряжения 17 на вход первого делителя напряжения 18, выходное напряжение

0 которого через делитель напряжения 18 и усилитель 21 подается на конденсатор 16. При этом эквивалентное значение емкости данного конденсатора относительно входа повторителя напряжения Сэ СЗ (1-К1К2),

5 где К1 - коэффициент передачи первого делителя 18;

К2 - коэффициент усиления усилителя 21.

Изменяя коэффициент первого делите0 ля 18, изменяем значение эквивалентной емкости Сэ, которая либо суммируется, либо вычитается из емкости конденсатора С1, а следовательно, и суммарной емкости в нижнем плече высоковольтного делителя.

5 Выходное напряжение повторителя напряжения 17 подается на вход осциллографа с дифференциальным входом, к другому входу подключен регулируемый источник напряжении.

0 Необходимо отметить, что, как правило, на выходе управляемого источника напряжения всегда присутствует эквивалентная емкость нагрузки. Это позволяет увеличить значение емкости конденсатора С2 до тре5 буемого значения, уменьшив конденсатор нагрузки 5, так, чтобы их суммарная емкость осталась постоянной.

Упростить устройство существенно, увеличив точность за счет отсутствия пере0 грузки входных каскадов осциллографа, что может иметь место при требовании высокой точности к совмещению уровней напряжения в статическом режиме м применения осциллографа без дифференциального вхо5 да, возможно при применении вычитающего устройства 23 с ограничением напряжения на его выходе, по п.З формулы, которое не превышает ±0,7 В, что позволяет совмещать уровни в статическом и динамическом режимах с точностью до

нескольких милливольт (ограничено чувствительностью осциллографа),

Предлагаемый способ м устройство имеет более высокую точность за счет калибровки делителя в динамическом режиме по сравнению со статическим режимом. Предлагаемая калибровка позволяет уменьшить влияние изменения емкости высоковольтного конденсатора от температуры и напряжения, так как делитель получается точно скомпенсирован в некотором диапазоне и напряжения вблизи уровня калибровки. Это позволяет применить в высоковольтном плече делителя напряжения керамические конденсаторы, например КВИ-2, КВИ-3, что позволяет применять высоковольтный делитель, способ калибровки и устройство в производственных (цеховых) условиях, существенно упрощает конструкцию высоковольтною делителя напряже- ния, Измерение начала переходного процесса относительно низковольтного импульса управления и измерение времени Т см.фиг.4, эпюра 31 начала запуска развертки осциллографа до конца переходного про- цесса по заданному уровню с применением предлагаемого способа балансировки высоковольтного делителя напряжения и устройства для его реализации существенно повышает точность.

Формула изобретения Способ балансировки высоковольтного делителя напряжения, включающий подачу напряжения на вход высоковольтного делителя, пропорциональное его уменьшение и осциллографирование. отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений, подача напряжения производится с выхода управляемого высоковольтного источника напряжения, выходное напряжение высоковольтного делителя ос- циллографируют осциллографом на первом дифференциальном входе, на второй вход осциллографа подают напряжение с регулируемого источника напряжения, с помощью которого производят совмещение на экране осциллографа линии, соответствующей разности входных напряжений, с линией, соответствующей нулевой разности входных напряжений, совмещают уменьшенный уровень импульсного напряжения на экране осциллографа с помощью изменения

значения емкости в низковольтном плече высоковольтного делителя напряжения, причем постоянную времени плеч высоковольтного делителя напряжения выбирают больше длительности переходного процесса, начиная с участка наиболее отдаленного от начала переходного процесса до максимально возможного совмещения.

2.Устройство для балансировки высоковольтного делителя напряжения, содержащее осциллограф, высоковольтный делитель напряжения, состоящий из высоковольтного и низковольтного плеч, первый контакт для подключения к высоковольтному источнику напряжения, второй контакт для подключения к выходу высоковольтного делителя напряжения, который соединен с выходом высоковольтного делителя напряжения, вход которого соединен с первым контактом, второй вывод низковольтного плеча высоковольтного делителя напряжения соединен с общей шиной, отличающееся тем. что дополнительно введены управляемый высоковольтный источник напряжения, устройство управления,повторитель напряжения, делитель напряжения, усилитель, конденсатор и регулируемый источник напряжения, выход которого соединен с вторым входом осциллографа, первый вход которого соединен с выходом повторителя, вход которого соединен с выходом высоковольтного делителя напряжения и через конденсатор с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом делителя напряжения, вход которого соединен с первым входом осциллографа, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу устройства управления, второй выход которого соединен с управляющим входом управляемого высоковольтного источника напряжения.

3.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что между входом осциллографа и вторым контактом для подключения к выходу высоковольтного делителя напряжения включено вычитающее устройство, второй вход которого соединен с выходом регулируемого источника напряжения, выход вычитающего устройства через выключатель и цепь ограничения соединен с общей шиной, к которой подключен и второй вход осциллографа.

™

II

LHJ

;j

IB

i17

18

15

.

Использование: в качестве масштабного преобразователя напряжения в измерительной технике, электротехнике, радиотехнике, для измерения времени высоковольтных переходных процессов на выходе управляемого высоковольтного источника напряжения. Сущность изобретения: на выходе управляемого высоковольтного источника напряжения в статическом режиме устанавливают напряжение, на котором производится переключение. Изменением напряжения регулируемого источника напряжения совмещают на экране осциллографа с дифференциальным входом линию с линией, соответствующей напряжению между входами, равным нулю. Устройством управления переключают управляемый высоковольтный источник напряжения в автоколебательный режим измерением емкости конденсатора низковольтного плеча высоковольтного делителя напряжения, с помощью электрически регу лируемого конденсатора, выполненного HJ повторителе напряжения, делителе, усилителе, конденсаторе Сз. максимально совмещают линию на экране осциллографа с соответствующей нулевой разности линией входных напряжений с помощью делителя напряжения. Необходимо осуществлять выбор постоянных времени плеч высоковольтного делителя намного больше длительности переходного процесса Высокая точность достигается за счет калибровки делителя в динамическом режиме по сравнению со статическим режимом. 2 с и 1 з.п ф-лы, 4 ил. VI XI р Ч)

Фиг. I

#

ы

т

--.-.- -- « --/%

..

-

.-L