СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КВАРЦА Советский патент 1947 года по МПК G01R29/22 

Существующие методы измерении эквивалентных параметров кварца основаны на использовании одного из трех явлений: 1) резонанса кварца, 2) затухания амплитуды собственных колебаний кварца и 3) автоколебаний в кварцевом генераторе. Практическое использование получили методы, основанные на двух первых явлениях. Метод, основанный на использовании третьего явления, не был развит до фактического применения, хотя огромные преимущества его в смысле простоты и дешевизны аппаратуры очевидны (не требуется ни специальных возбуждающих генераторов с весьма высокой стабильностью частоты, ни специальных регистрирующих устройств, ни специальных устройств для измерения малых промежутков времени и т.д.). Кроме того, последний метод имеет гораздо большие возможности в отношении расширения диапазона частоты в сторону более высоких частот. Имеющиеся в литературе работы, посвященные этому методу, касаются изучения возможности использования самовозбуждения для измерения эквивалентного активного сопротивления кварца. Этот метод измерения состоит в регистрации тех значений переменных параметров схемы кварцевого генератора, при которых возникают и срываются колебания. Неудобство этого метода заключается в том, что трудно наблюдать возникновение и срыв колебаний кварцевого генератора в силу весьма медленного нарастания и спадания амплитуды колебаний при тех граничных величинах коэфициента обратной связи, которые по условию должны быть созданы в схеме путем изменения ее параметров. Это обстоятельство обусловливает значительную ошибку метода и относительно большое время, потребное для экспериментов, не говоря уже о большом напряжении экспериментатора. Кроме того, эти методы не позволяют измерять эквивалентную индуктивность кварца.

Предлагаемый способ свободен от указанных недостатков. Сущность его состоит в том, что кварц включают между анодом и управляющей сеткой пентода, работающего без токов сетки при чисто емкостных сопротивлениях между управляющей сеткой и катодом, и в режиме стационарных колебаний такого генератора измеряют переменные сеточное и анодное напряжения.

Предлагаемый способ поясняется схемами на фиг. 1-9.

На фиг. 1 показана принципиальная схема применяемого для измерения генератора. В ней в качестве генераторной лампы использован высокочастотный пентод. Генератор работает без тока сетки за счет автоматического смещения на катодном сопротивлении R_k. Вводя потери, обусловливаемые сопротивлениями R_a и R_g в цепи токов, проходящих через емкости С_а и C_g, и заменяя кварц его эквивалентом при частоте колебаний 15 схеме генератора, получаем эквивалентную схему последнего, показанную на фиг. 2. Для этой схемы имеют место следующие условия стационарности:

где S - крутизна лампы.

Сопротивления R_a и R_g могут быть взяты достаточно большими, и в этом случае условия стационарности приобретают чрезвычайно простой вид:

где и

Дальнейший анализ показывает, что для может быть получено также следующее выражение:

Описываемые ниже устройства, служащие для осуществления предлагаемого способа, основаны на использовании методов намерения эквивалентных параметров по соотношениям (1), (2) и (3).

1. Устройство для измерения эквивалентного сопротивления кварца (первый вариант). Устройство основано на использовании соотношения (3) и состоит из лампового генератора по схеме фиг. 1 и двух ламповых вольтметров, измеряющих сеточное и анодное напряжения U_g и U_a. В этом случае, зная емкости C_g и С_а и частоту колебаний, находим по формуле (3).

Если, оставляя C_g=const, изменять емкость С_а так, чтобы U_g=const, то можно показать, что при этих условиях

Таким образом, анодный ламповый вольтметр дает показания, прямо пропорциональные величине .

2. Устройство для измерения эквивалентного сопротивления кварца (второй вариант). Устройство основано на использовании соотношения (1). Для того, чтобы поддерживать S=const, достаточно поддерживать U_g=const. При x_g=const получим

а при х_а=const

Устройство состоит из кварцевого генератора по схеме на фиг. 1 и одного лампового вольтметра, измеряющего напряжение U_g. Если изменять емкость С_а (при C_g=const) или емкость C_g (при С_а=const), то при U_g=const величина прямо пропорциональна или в зависимости от того, какая из емкостей С_а или C_g остается постоянной.

Градуировка устройства производится путем включения последовательно с кварцем известных активных сопротивлений.

Откладывая по оси ординат величину R этих сопротивлений, а по оси абсцисс величину х_а (или x_g), получаем прямую линию (фиг. 3), пересечение которой с осью ординат дает величину того кварца, которым производилась градуировка. Принимая точку О′ за новое начало координат, получаем готовую градуировку прибора.

3. Кварцевый омметр. Оба вышеописанных варианта устройства для измерения требуют для получения отсчета произведения известных манипуляций, заключающихся в подборе таких значений х_а или C_g, при которых U_g=const. Описываемое ниже устройство не требует никаких манипуляций для измерения т.е. является прямопоказывающим устройством. Поэтому его можно условно назвать кварцевым омметром.

Схема кварцевого омметра показана на фиг. 4. Принцип действия основан на использовании соотношения (1), в котором х_а=corist, x_g=const, а переменной величиной является крутизна S лампы. Тогда

Лампа 1 генераторная. Она выбирается такой, чтобы динамическая крутизна ее характеристики при малых амплитудах выражалась той же функцией, что и ее анодный ток. Другими словами, эта лампа должна иметь характеристику, выражаемую экспоненциальной функцией. Такой лампой, например, является лампа типа 6Ж2М. Лампа 2 служит диодным выпрямителем, а сопротивление R₁ включено для получения на сетке лампы 1 нужного начального смещения. При возникновении колебаний и при достижении их амплитуды на аноде такого значения, которое превышает величину напряжения смещения диода, задаваемого сопротивлениями R₁ и R₂, на сетку лампы 1 подается дополнительное автоматическое смещение, уменьшающее действующую крутизну лампы 1. Таким образом выполняется условие (1).

Так как, согласно вышесказанному, анодный ток лампы 1 пропорционален действующей крутизне ее характеристики, то показания анодного прибора А будут пропорциональны включенного кварца.

Сопротивление R₃ служит для регулировки начального показания прибора А. Применяя для градуировки кварц, имеющий известное сопротивление, и используя метод градуировки, описанный в предыдущем варианте устройства, получаем истинную градуировку омметра (фиг. 5), годную для любого кварца на той частоте, при которой была произведена градуировка.

При изменении частоты кварца градуировочные кривые устройства по второму варианту и кварцевого омметра могут быть получены из градуировки, произведенной однажды для известной частоты, путем изменения ее наклона.

Из выражения (1) для второго варианта устройства имеет место соотношение

Следовательно, тангенсы углов наклона градуировочных прямых в координатах R, х_а обратно пропорциональны частоте. В случае х_а=const

Для кварцевого омметра

т.е. тангенсы углов наклона градуировочных прямых в координатах R, I_a обратно пропорциональны квадрату частоты.

Возможны и иные способы регистрации рабочей крутизны лампы. Например, кварцевый омметр может быть собран по схеме, изображенной на фиг. 6. На сетку генераторной лампы подано напряжение 50 гц небольшой, но постоянной амплитуды U_o (порядка 0,2 в). При помощи фильтра r, С, r, С отфильтровывается напряжение высокой частоты, а напряжение частоты 50 гц попадает на сетку входной лампы лампового вольтметра. В нашем случае это напряжение будет

U₅₀=k·U_o·S·R_a,

где k - коэфициент пропорциональности. Таким образом, показания лампового вольтметра будут пропорциональны действующей крутизне характеристики генераторной лампы, т.е. и

Большим преимуществом этой схемы является независимость ее показаний от характеристики лампы. Это существенно потому, что даже для одного типа ламп между характеристиками отдельных экземпляров их существует большое расхождение.

Расширение диапазона измеряемых величин можно произвести путем переключения постоянных конденсаторов в цепи сетки и в цепи анода в любом из вышеописанных устройств.

Величина найденная при помощи одного из изложенных методов, еще не есть истинное значение кварца, но мало отличается от нее. Чтобы найти (ист) нужно пользоваться формулой

где а С_о - статическая емкость кварца, включающая емкость подводящих проводов и емкость кварцедержателя. Чтобы уменьшить величину С_о необходимо экранировать провода, идущие от электродов лампы к кварцедержателю.

Для измерения эквивалентной индуктивности кварца может быть применено любое из вышеописанных устройств. При этом используется соотношение (2).

Можно показать, что вблизи частоты механического резонанса кварца ω_m индуктивность кварца L_q может быть найдена, если известна зависимость

Эта зависимость вблизи ω_m с весьма большой степенью приближения является линейной. Если известен тангенс угла α наклона такой прямой в системе координат ω, то

Так как из выражения (2)

Изменяя одну из емкостей (С_а или C_g) и измеряя получающиеся изменения Δƒ частоты, получаем линейную зависимость, пример которой приведен на фиг. 7. Измерив tgα, получаем из формулы

Ввиду линейности зависимости (4) достаточно измерить tg α по двум точкам, задав только два значения х_а (x_g) и измерив получающееся при этом изменение частоты. Практически удобно задавать изменение частоты Δƒ кратное десяти.

Тогда при Δƒ=10 гц получаем

или

На фиг. 8 показана схема устройства для измерения эквивалентных параметров и L_q, служащего для контроля серийной продукции. Лампа 1 - генераторная. Конденсатор 5 переменной емкости градуирован в омах x_a при ƒ=1 мггц. Сеточные конденсаторы имеют постоянную емкость и переключаются коммутатором 14. Последний одновременно переключает катодные сопротивления 3 и 4 для расширения диапазона измерений. Лампы 12 и 11 являются лампами сеточного вольтметра, позволяющего фиксировать одну и ту же величину сеточного напряжения, которая определяется напряжением постоянного смещения на сетке лампы 11, измеряемого вольтметром 13. Второй кварцевый генератор выполнен с лампой 6 и использует один из кварцев испытуемой серии. Лампа 7 служит детектором, дающим на выходе ток биений звуковой частоты, как разность между частотами генераторов 1 и 6. Звуковая частота биений измеряется электронным частотомером, в который входят лампы 8, 9 и 10.

На фиг. 9 показан кварцевый омметр, снабженный самопишущим прибором и служащий для снятия зависимости кварца от температуры.

На сетку лампы 3 подано напряжение смещения с сопротивления R₄ и положительное напряжение с анода лампы 1. В анод лампы 3 включен самопишущий прибор. Сопротивление R₅ служит для подогрева кварца. Процесс снятия температурной зависимости занимает не более 5 минут.

1. Способ измерения эквивалентных электрических параметров кварца, включенного в схему лампового генератора, отличающийся тем, что кварц включают между анодом и управляющей сеткой пентода, работающего без токов сетки при чисто емкостных сопротивлениях между катодом и анодом и между управляющей сеткой и катодом, и в режиме стационарных колебаний такого генератора измеряют переменные сеточное и анодное напряжения.

2. Прием осуществления способа по п. 1 измерения эквивалентного сопротивления кварца, отличающийся тем, что измеренные, например, ламповым вольтметром сеточное U_g и анодное U_a напряжения используют для вычисления эквивалентного активного сопротивления кварца по формуле

в которой C_g и С_а обозначают емкость, включенную между управляющей сеткой и катодом и, соответственно, емкость между катодом и анодом.

3. Прием осуществления способа по пл. 1-2, отличающийся тем, что поддерживая амплитуду колебаний напряжения U_g постоянной (равной, например, 1 в) при постоянной величине емкости C_g, емкость С_а плавно изменяют и значение эквивалентного активного сопротивления кварца отсчитывают по показаниям лампового вольтметра, измеряющего напряжение U_a, шкала которого отградуирована согласно формуле

4. Видоизменение способа по п. 3, отличающееся тем, что, поддерживая амплитуду напряжения U_g постоянной путем изменения емкости С_а (или C_g) при постоянной емкости C_g (или C_a), значение эквивалентного активного сопротивления кварца отсчитывают по шкале переменного конденсатора С_а (или C_g), отградуированной по формуле в которой S означает крутизну характеристики пентода по управляющей сетке.

5. Устройство для осуществления способа по п. 4, отличающееся тем, что емкости С_а и C_g выбраны постоянными, а для отсчета значений эквивалентных активных сопротивлений кварцевых пластин в анодную цепь пентода включен измерительный прибор постоянного тока, градуированный в схеме по эталонной кварцевой пластине на пропорциональность его показаний крутизне пентода, автоматически измеряемой одним из известных способов.

6. Прием осуществления способа по п. 1 измерения эквивалентной индуктивности кварца, отличающийся тем, что изменяя одну из емкостей С_а или C_g, измеряют изменения частоты колебаний генератора и вычисляют эквивалентную индуктивность кварца по формуле:

или