Устройство для измерения параметра колебательных контуров и их элементов Советский патент 1945 года по МПК G01R13/32 

Предлагаемое устройство для измерения параметров колебательных контуров и их элементов основано на использовании свип-генератора с электроннолучевым осциллографом и работает по резонансному методу. В этом устройстве, согласно изобретению, с целью получения на экране осциллографа изображения п-ой произподной от резонансной кривой (по которому и судят о величине пара :етров контура), напряжение с измеряемого контура подано на осциллограф через частотный детектор и ряд каскадов усиления на трансформаторах.

Такое устройство можно применить для браковки резонансных контуров и их деталей по актнвным сопротивлениям в широком диапазоне радиочастот при использовании напряжения, модулированного по частоте, а также одновременно измерять и браковать детали по самоиндукции, емкости и другим показателям. При этом на некоторой выбранной члстоте и при одинаковых деталях операция измерений может быть сведена к простому подключению

изг1еря2;аого объекта и отсчету по индикатору 6ej дополнительных подстроек, что невозможно при использовании су1цествующ,15х методов. Чувствительность и точность измерений могут быть получены достаточно больншмп.

Сущность изобретения поясняется чертежол, на фиг, 1 которого дана схема последовательного ргзонанса с активной или индуктинной свялью, а на фиг. 2-то же с емкостной СВЯЗЬЮ- Графическое изменение функций и производных изображено на фиг. 3. Принцип1;альная схема устройства представлена на фиг. 4, где Г-генератор, У-усилитель, О-осциллограф. На фиг. 5 изображены: крив:я изме1:ен.:я частоты генератора в зависимости от времени (кривая а) и кривая из.менепия напряжения на горизонтальной развертке осциллографа, па экране которого появится изображение функi{ iii, показанное на фиг. 6 (криБ.1Я bs. Схемь: для измерения конденсаторов показаны на фиг. 7 (а и Ъ. На фиг. 8 изображена эквивалентная схема первого каскада. как указывалось выше, в предлагаемом устройстве используется капрял ение, модулированное по частоте. Применение напряжения, модулированного по частоте, дает возможность использовать для измерений свойства произволных ог функций, изображающих изменения проводимости или сопротивления контура с частотой. Как известно, указанная функция может быть изображена з виде выражения 1 y- Yl T -Для случая последовательного резонанса (фиг. I -связь измерительного контура с источником на отряжен и я активная или индуктивная) имеем у/-прсводимость icoHTypa, а-активное сопротивление кон у{эа и x coL--. При параллельном же резонансе фиг. 2-связь емкостьая) соответственно будет -сопротивление контзфа, а-активная проводимость контура или его проводк-мость нри Оо -резонансная частота контура, Дш-- велич -на отклонения частоты сигнала от резонансной частоты контура. Вид функний у, у , у, у представлен на фиг 3. Из рассмотрения этих функций сложно сделать следующие выводы: :i)1 J У - ™ а Значение утах максимума функций имеет место при . и обратно пронорционально первой степени величины а. Положение максимума не зависит от величины а. 2)2 у :-ХуЗ; у , У; о при X 0. функция два максимума, расположенных симметрично оси ординат; при этом значения максимумов обратно пропорцискальиь второй степени а. Функция имеет одну нулевую точку при , положение которой не зависит от а. у ---уЗ-ЬЗх2ул 1 Рих 0; у ,, . ., при х ± -,- а. Функция имеет три максимума, значения которых обратно пропорциональны третьей степени а. Функция имеет две нулевых точки, положение которых относительно и друг друга линейно от величины а. У 9ху5 -15х3ут; j-,.,,3,4,«, 0 при х 0 и при х Функция имеет четыре макскГ.ума, значения которых обратно пропорциональны четвертой степени а. Функция имеет три нулевых точки; Г1оло :ение нулевой точки при X-О не зависит от а и но южеиия двух других точек являются линейной функцией а. В соответствии с полученными выводами возможны два метода измерений: 1)метод, построенный на использовании свойств нулевых точек функций ), где b consl; 2)метод, построенный на использовании свойств амплитуд фупкАий при амплитуде, равной де и -- порядок производной. Рассмотренные выше фун1сции ожно получить изменением напяжения на контуре с помощью хемы, представленной на фиг. 4. Схема состоит из генератора, игнал которого, модулированн:лй но частоте колебанием, представлеккым на фиг. За, подается чер л икдуктивиую или емкостную связь на измерительный контур. Предварительно сигнал может быть усилен с помощью синхронного усилителя. CTaoHviHSHpoBaHного диодом.

После измерительного контура, являющегося частотным детектором, сигнал, модулированный также по амплитуде, которая меняется по закону резонансной кривой контура, подается на вход амплитудного детектора. Нагрузкой детектора является но существу первичная обмотка трансформатора, напряжение на которой меняется по закону первой гфоизводной.

Вторичная обмотка трансформатора включена на вход усилителя, нагрузкой которого является втоpoii трансформатор.

Напряжение вторичной обмотки второго трансформатора, меняющегося по закону второй производной от резонансной кривой кчлггура, подается на вход следующей усплнтильний ламиы, нагрузкой которой является также трансформатор.

Выход схемы представляет вторичную обмотку последнего трансформатора, напряжение на которой меняется по закону третьей производной.

В случае емкостной связи контура с ИСТОЧН1 ком напрялсения силу тока, проходящего через измерительный контур, можно считать постоянной.

Так как напряжение на контуре равно , а l const, то изменение напряжения на контуре повторит изменение его сопротивления в зависимости от изменения частоты генератора Г относительно резонансной частоты контура.

Напряжение на индуктивной нагрузке лампы Л меняется по закону первой производной от резонансной кривой контура.

Рассмотрим эквивалентную схел;у первого каскада (фиг. 8). и,- активное сопротивление, равное .сумме сопротивлений выхода.

В случае iRiT- L --будем иметь, е

V

т. е. ток меняется по закону изменения напояжения с.

Напряжение же на индуктивности L

di

UT, - L dt

Т. е. ь еняет(;я по закону нерьой производной от функции изменения тока; также изменяется напряжение на вторичной обмотке Tpat-:cравыое KU),

арорматора.

так

Ё1 dt

где ,,- - сопротивление сетк:;-нпть последующей лампы.

Повторял приведенное расс /кдение, приходим к заключению:

а) напряжение на обоих-обмотках второго трансформатора меняется по закону второй производной;

0: нал

ПД ЗЫХОДе 2HЯC;г

ся по закону третьей ироизводнон.

Панряжение на выходе каждого каскада л.рпемнои части схемы iicняется по закоиу производной ог функцки изменения напряжения на входе.

При методе измерения с исиользованием измегтенутя амплитуд функций, на выход схемы .;одкл:очается пиковый вольтметр. Тогда., производя операции, соответствующие методу замещения пли любому другому, будем иметь завксимость отклонений вольтметра от сопротивлений контура в вид

Если через 3 обозначим относительное изменение величины а и через 3 - соответствующее относительное изменение величины ;: будем иметь

BsdH-l) .

Как уже указывалось, а равно активному сопротивлению контура в случае индуктивной связи. а при емкостной связи а равно активной проводимости контура. Используя для измерений п-ую производную, мы увеличиваем чувствительность индикатора к изменению сопротивления контура в (п+1) раз. Влияние же нестабильности амплитуды генератора и других частей схемы одинаково для всех возможных случаев. Если резонансная частота контура при подключении измеряемых или сравниваемых деталей остается в пр(делах изменения частоты генератора, то для отсчета не требуется дополнительной подстройки контура. Переход от одного типа деталей к другому может быть осуществлен изменением постоянных параметров кОнтура или средней частоты генератора. В данном случае может быть построен прибор с высокой степенью чувс1вительности и дающий отсчет при простом подключении измеряемых деталей без дополнительных операций при измерении. Прибор может быть построен на широкий диапазон частот. Указанные свойства делают такой прибор весьма ценным,, особенно для цеховых измерений,осуществление же его не представит больших трудностей. При методе измерения с использованием зависимости нулевых точек кривых от сопротивления контура в качестве примера берется случай емкостпой связи при использовании функций {(х). Исходны / положением является -Я или для данного случая -п U) CI)Q 4- i. После несложных преобразований в предположении ) У дем иметь .Д.С. (2) . . ДшС Здесь Дш 2тсД -расстояние ме;кду пулевыми точками кривой в единицах частоты, при этом положение точки при не зависит Ог величины g, а определяется исключительно величинами L и С контура, определяющими также и его резонансную частоту Шд, равную УСС При измерении по этому метэду на выход устройства в качестве индикатора подключается осциллограф (фиг. 4). На пластины вертикальной развертки осциллографа подается напряжение с выхода схемы, меняющееся по закону третьей производной функции, изображающей изменение проводимости контура с изменением частоты генератора относительно его средней частоты, при, равенстве ее резонансной частоте контура. На пластины горизонтальной развертки осциллографа подается напряжение, меняюш,ееся по линейному захону и синхронизированное по частоте и фазе с напряжением вертикальной развертки (фкг. 5Ь). При этом на экране осциллографа появляется изображение функции (/-) в виде, представленном на фиг. б, в которой 1(ш-Ш|,)Ди). Если .о), то X пЬт, где т,п и k -постоянные величины, (-отклонение луча по экрану осциллографа в горизонтальном направлгнии, ij - отклонение луча по экрану осциллографа в вертикальном направлении. Расстояние между нулевыми точками по экрану осциллографа определяется выражением V. (3) (4) сли при . Нужное положение кривой на экране достигается либо измене

нием средней частоты генератора, либо изменением настройки контура.

При использовании осциллографа как индикатора для определения измеряемых величин возможно применение нескольких методов отсчета.

1.Отсчет AF-изменения средней частоты генератора, нужного для последовательной установки на риску экрана осциллографа (например, в положение, соответствующее г 0) нулевых точек кривой 1(1 и /о- При этом расстояние между нулевыми точками (1,-i) в единицах измерения частоты будет Др.

2.Отсчет приращения ДС емкости контура при последовательной установке нулевых точек кривой на риску экрана осциллографа.

3.Отсчет по эталонам, включенным в контур. При этом осциллограф используется аналогично стрелочному прибору при измерениях резонансным методом.

Если Припять- что положение нулевой точки io соответствует отклонению стрелочного прибора, то положение 1 точки должно быть постоянным, что соответствует нулю стрелочного прибора.

Сюда же относятся все другие варианты измерений резонансным методом.

Первый метод, отсчета имеет ряд преимуществ, а именно:. 1) не требуется эталонов сопротивления, 2) имеется возможность точного отсчета частоты, 3) стабильность средней частоты генератора не играет больщой роли, а стабильность амплитуды генератора не имеет значения.

Рассмотрим первый метод отсчета при измерении активного сопротивления, добротности контура и его сопротивления потерь.

Активные сопротивления могут быть определены по разности значений активной проводимости g контура при двух измерениях:

l/.K-C-Af или g b-io.

Исходя из этих формул, имеем

g, С. (ЛК, - ЛР;1(5)

или а- Ь(/ш -Zoi)(5

Вводя обозначения АН,,-iF,Ay и

02-oi - j получим

„7 Л г1/лт1тг.тм

.C.Y

4г 1 I/

(6)

gx Ь А/. (61)

Сопротивления, эквивалентные потерям контура, определяются прямо из формул (2) или (3).

Следует заметить, что выражения (5) и (6) указывают на возможность получения непосредственного отсчета g и gx, с помощью градуировки их в единицах величин AF, Af, /.Q и A/g.

Если измерительный контур представить в виде параллельно соединенных индуктивности L, емкости С и активной проводимости g (фиг. 2), то добротность Q выражается из отношения реактивного сопротивления к активному:

«I.1

.

R (7)

Для индуктивной и емкостной связи выражение (7) при измерении рассматриваемым методом будет иметь вид:

УЗ

Q

(8)

27/2

где f - частота при измеренигг,

AF - расстояние между пулевыми точками в единицах измерения частоты.

Из формулы (8) следует, что для некоторой выбранной частоты возможпа градуировка отсчета AF в единицах Q. Для других частот

/i нужно Судет ввести множители,,

(f -частота, выделенная для градуировки).

Если сопротивление катушки значительно больше сопротивлений, вносимых в контур другими его элементами, то можно считать

получаемые при измерениях значеи:-:я за добротность катушки.

В случае емкостной связи собственная емкость катушки не влияет на ее добротность, так как эта емкость подключается параллельно емкости конденсатора контура.

При включении в контур детали, имеющей активную и реактивную составляющие, измерения сведутся к следующим операциям:

а)определяется реактивная составляющая установкой нулевой точки кривой, соответствующей X О, на одну и ту же риску экрана осциллографа, с отсчетом двух соответствующих частот. Здесь возможно также применение переменных эталонов. Величина реактивной составляющей, получаемой при измерении, не зависит от активной составляющей сонротипления деталей;

б)величина активной составляющей определяется затем- по формуле, применимой в данном случае.

Измеряемая величина Z, имеющая активную ПрОБОДИМОСТЬ gx и

емкость Сх , подключается параллельно контуру, при этом АН, L и С - значения до подключения Z,

AFj, L и С,- значения ири включенном Z.

Г-

г-Л Тогда

где AF - расстояиие между нулевыми точками кривой на осциллографе в единицах частоты.

Ряссг ютрим измерение углов потерь конденсаторов (фиг. 7). В одном случае эталонный конденсато1 контура Сэ, потерями которого можно иревзебречь, замен;;ется измеряемыл кондеисатором Сх , когда

CjX Сэ .

Указанная замена изменит активную ирОЕОдимость контура на величину активной проводи.:ости образца.

Из выражения (6) для gx и формзлы для угла иотерь, которые в данном случае будут равны

а V

-;с7

i, ох 2у - . --(9,

иолучим

Эта (9) показывает на воз.можиость получения непосредственного отсчета угла потерь посредством отсчета частоты кли Д. где ,,-l.В другом случае измеряемый конденсатор подключается параллельно эталонному. Изменением емкости эталонного конденсатора достигается первоначальное положение нулевой точки и кривой Н:; з:фане осциллографа. Для этого случая

заменив gx его зиачеиисм, оудем иметь:

.А

I Сэ - Сэ, (10)

Нужные отсчеты быть получены также нри изменении средней частоты генератора без изменения емкостей эталонного конденсатира.

Чувствительность -схемы в случае использования осциллографа определяется величиной изменения частоты генератора.

Наибольшая чувствительность требуется при измерении углов потерь. Если в этом случае выбрать угол 0,2 за величину чувствительности, то чувствительность по экрану осциллогра4)а должна соответствовать 0,5 частоты генератора.

Требуемая чувствительность может быть получена увеличением напряжения развертки осциллографа и уменьпением отклонения частоты генератора от t е среднего значения.

Нри этом кривая может не уложиться на экране осциллографа, что однако не и.меет существенного значения.

Достижение указанной чувствительности вполне возможно и позволяет измерять температурные коэфкциепты емкогти к индуктивности контура. Эти измерения производятся с помощью отсчета частоты генератора при установке нулевой точки кривой осциллографа х 0 на постоянную риску экрана осциллографа. Если для отсчета частоты применить метод биений, то ij этом случае ке требуется стабильного генератора, что наряду с независимостью положения нулевой точки кривой нри от величины сопротивления контура дает указанному методу большие преимущества перед другими.

Точность измерений определяется прежде всего чувствительностью схемы.

С другой стороны, точность определения измеряемых величин g, Q, ig 5 по приведенным выше формулам зависит от справедливости доп щения , что соответствует допущению k consL в выраисении 1.

Однако при измерении углов г.этерь, как в наиболее ответствен.чом случае, это допуш,ение не внесет заметных ошибок, поскольку оно относится к небольшим прирашгкиям величины х, имеюпдим место в данном случае, т. е. в случае, когда с достаточной степенью точности верно равенств Ax kAL

Погрешности, .иеся к спосээу в:члючения образца и другим внешним причинам, имеют здесь то же значение, что и при измерениях обычны.м резонансным методом. Э.и о:иибки нрн измерении угла потерь образца исключаются в большой мере при использовании добавочного эталонного конденсатора, когда операцни измерения и вкл;оче:,;ия образца соответствуют схемам, приведенным на фиг. 7.

Погрешности, вызываемые искажениями кривой в приемной части схемы, могут быть сведены к минимуму за счет достижения линейности всех его каскадов.

Изготовление установки или устройства, работаюш.его на рассматриваемом прннциле, не может встретить принципиально непреодолимых трудностей, если учесть имеющиеся достижения техники измерений. Сам же метод позволяет получ:ггь достаточно точные результаты и обладает рядом достоинств, к которым преждо всего относятся:

1.Бозмокность достижения большок скорости измерений, что особенно важно при разбраковке доталей.

2.Возможность измерения на одной установке всех параметров контура и его деталей, именно:сопротивления, добротности, угла потерь, емкостей, индуктивност:;, прниаа1ений этих величии, а также всех изгаепепий, связанных с полученлем видимой резонансной крггвой контура.

3.Измерения могут производиться в весьма широког. диапазоне радиочастот.

4.Отсутствие эталонов сопротивление.

5.Невысокие требования к сглбильностп средней часготы генератора и его амнлмтудьт, а т;.)ко стабильности дру; их ч.;,;;.-й схемы. кро:.:е контура.

Предмет изобротгнпя

стройстзо для измерения параметров колебательных контуров н их эле:..;нтоз по резонанснолЛ методу, соде :жашее свап-гемератор и э,1ектроннолучезой осцил.югроф, о т л и ч а ю u, е е с я , что, с целью получения на экране осциллографа изображения п-ой про:; водной от ре онанской кривой, ао которому Г: судят о величине параметров контура, напряжение с и заверяемого контура подано на осциллограф через частотный детектор и ряд каскадов уси.1ения на трансформаторах.

Фиг. 1

Фиг. 2

Х« 64578