Мост для измерения составляющих комплексной проводимости Советский патент 1982 года по МПК G01R17/10 

(54) МОСТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОВОДИМОСТИ

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения электромагнитных характеристик материалов на высоких частот тах.

Известны двойные Т-образные уравновешиваемые мостовые схемы для измерения составляющих комплексного иммитанса образцов материалов и их параметров на высоких частотах, в которых активную составляющую измеряемого образца, а часто одновременно и реактивную составляющую, измеряют либо по изменению величины переменного сопротивления, представляющего собой многодекадный магазин активных проводимостей, либо по изменению величины переменного конденсатора, причем схемы, в которых регулируемыми элементами являются только емкости, обладают гораздо большими возможностями, так как поз воляют производить измерения на более высоких частотах и с меньшими погрешностями ГООднако выигрыш последних в точности измерений (особенно малых образцов материалов) на высоких частотах значительно снижается из-за весомого влияния остаточных параметров элементов продольных плеч мостов, что является серьезным недостатком, препятствующим универса10льному использованию такого рода схем, а конструкции лучших из них сложны.

Из известных двойных Т-образных мостов наиболее близким к предлагаtsемому по технической сущности является мост Вудса. Этот мост имеет генератор напряжений высокой частоты, указатель равновесия, одни выводы которых подключены к общей шиXне, и двойную Т-образную схему, содержащую конденсатор переменной емкости и катушку индуктивности, образующие параллельный колебательный .контур, включенный в первое попереч нов плечо, один вывод которого подсоединен с общей шине, конденсатор постоянной емкости и резистор, расположенные в прилегающих к нему пр дельных ветвях, одни выводы которых соединены со вторыми выводами соответственно генератора напряжения высокой частоты и указателя равновесия, а другие - со вторым выводом поперечного плеча, конденсатор пере менной емкости и. катушку индуктивности, образующие параллельный коле бательный контур, включенный во вто рое поперечное плечо, один вывод ко торого подсоединен к общей шине, два конденсатора постоянной емкости расположенных в прилегающих к нему предельных ветвях, одни выводы кото рых соединены со вторыми выводами соответственно .генератора напряжения высокой частоты и указателя рав новесия, -а другие - со вторым выводом второго поперечного плеча, и за жимы для подключения объектов измере НИИ, расположенные параллельно конденсаторам переменной емкости j,Недостатками известного моста являются сложная компенсация частотной зависимости конденсаторов постоянной емкости, поскольку подгонка емкостей с высокой точностью (а в качестве конденсаторов постоянной емкости используются коаксиальные кон денсаторы постоянной емкости) осуществляется в процессе их изготовления что требует высокой точности обработки их поверхностей и строгой выдержки всех размеров, сложность конструкции и малая надежность изза использования в качестве трех элементов продольных плеч коаксиальных конденсаторов постоянной емко ти, гр омоздкое и малоэффективное измерение параметров проводимости Gg. с целью введения поправок во всем диапазоне частот, так как при проведении измерений используют вели чину активной проводимости на постоянном токе элемента Rr, что вносит ошибку измерений порядка 0,1, значительно увеличивающуюся при измерении малых образцов материалов. Все это вместе взятое в конечном итоге сказывается на сложно.сти изготовления этого моста, на точности измерений особенно малых величин образцов матер алов на ВЧ и являются существенным недостатком известного устройства, ограничивающим его широкое применение. Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в мосте для измерения составляющих, комплексной проводимости на высоких частотах, содержащем генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, одни выводы которых соединены с общей шиной, и двойную Т-образную схему, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости, образующих параллельный колебательный контур, включенный в первое поперечное плечо, один вывод которого соединен с общей шиной, конденсатора постоянной емкости и резистора, расположенных в прилегаюи1их к нему продольных плечах, одни выводы которых соединены со вторыми выводами соответственно генератора напряжения высокой частоты и указателя равновесия, а другие - с вторы)1 выводом поперечного плеча, катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости, образующих паралелльный колебательный контур, включенный во второе поперечное плечо, один вывод которого подсоединен к общей шине, и зажимов для подключения объектов измерения, расположенных параллельно конденсаторам переменуой емкости, продольные плечи, прилегающие ко второму поперечному плечу, содержат резисторы, причем первый вывод первого резистора соединен с вторым выводом генератора напряжения высокой частоты, а второй вывод - с вторым выводом второго поперечного плеча и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом указателя равновесия. На чертеже приведена электрическая схема моста. Мост содержит генератор 1 напряжения высокой частоты, катушку 2 ндуктивности LA, конденсатор 3 переенной емкости Сд, катушку Ц индуктивности Lg, конденсатор 5 переменой емко.сти Со, резисторы 6 (fl,) , (R) (V конденсатор 9 постонной емкости С, указатель 10 равовесия и зажимы 11 и 12 для под5клймения объектов измерения, объект 13 измерения. Устройство работает следующим образом. Напряжение от генератора 1 поступает на Т-образную цепь, состоящую из резисторов 6-8, конденсатора 9 постоянной емкости, катушек 2 и Ц индуктивности и двух конденсаторов 3 и 5 переменной емкости. Указатель равновесия баланса схемы подключается на выход Т-образной цепи, а объект 13 измерения - параллельно конденсатору 3 переменной емкости, либо - 5- Уравновешивают схему дважды: без образца, т.е. при разомкнутых зажимах. 12-12 и 11-11, и с образ цом i конденсаторами 3 и 5 переменной емкости по нулевым показаниям указателя 10 равновесия. Если образец подключается в плечо первого Т-образ ного моста, то данные для расчета реактивной составляющей отсчитывают по лимбу конденсатора 5 переменной емкости, активной составляющей по лимбу конденсатора 3 переменной емкости , если - в плечо второго Т-образного моста, то - наоборот. Расчет осуществляется либо с использованием формул, либо непосредственно по лимбам конденсаторов 3 и 5 которые в этом -случае должны быть отградуированы в определенных единицах измерения в зависимости от характера измеряемой проводимости и плеча подключения образца. Каждае предельное плечо, содержащее резистор, можно представить эквивалентной схемой в виде 1тоследовательно включенных сопротивления постоянному току и индуктивности t , зашунтированных емкостью . 3 случае метода двух уравновешива ний, предполагая, что резисторы подобраны так, что выполняются 0авно йесия G - G. pG % С С С- рСQ Q-t «чг 4% где р - коэффициент пропорциональности, равный 1/V, G.- эффективная проводимость эквивалентной схемы продольного плеча, содержащего резистор , С.- эффективная емкость эквива лентной схемы продольного плеча, содержащего резистор 6 активную и реактивную составляющие fe этом случае определяют из paBeHttl G при подключении образца ко второму Т-образному плечу О- - .г-, АСв г- -в-к -,при подключении образца к первому Т-образному плечу - 4т- СлСд-ииЧКк/.Сд;(5, « гдеДСА . . CB.C)- eg) ,/G,-G,/ () индекс (1) соответствует значению емкости, необходимой для получения баланса при отключенной неизвестной проводимости, индекс (2) - при включенной. Отсюда видно, что любая емкость, шунтирующая С.- не влияет на точность измерения активной проводимости, во втором Т-образном мосте. Однако по аналогии с известным она вносит ошибку второго порядка в результаты, из|мерений в первом Т-образном мосте,. так как в уравнение (5)моста для этого случая входят эффективные значения последовательных сопротивлений R-. , и ошибку первого порядка при измерении емкости в обоих плечах моста. Выбрав параметры резисторов из соотношений ог- ROI еа, ЕогсВо i 7) Ъ W ог+ fT оэ К в этом случае запишется в иде К - .Ro-iRozD4 T3 (8) Я . - 1 M(msi±.гl видетельствующем о наличии компенации частотной зависимости-у резисоров.

791

Определение поправок моста осуществляется аналогичным образом, используя подключение в каждое поперечное плечо .одного и того же образцового сопротивления, а их выражения принимают подобный известному мосту вид

а.-.

(д.Св-йСд ;

g:

-1 ,., .. -Ног -/М

Однако, осуществляя во всем диапазоне рабочих частот равенство

(9)

9 Г- - ССоГ ) G уе,г

С R RoJ J Roi

где 1 - собственная индуктивность конденсатора постоянной емкости,

уравнения измерения активной составляющей (З) и (5) окончательно з гисываются в виде

R

ог

СйСв,

бХА R

г ,

foXB RO-Ь

С

С

где, с учетом (9) С

1 - (

свидетельствующем, что частотная зависимость продольных элементов практ чески не сказывается на точности измерения активной составляющей в первом Т-образном мосте. Все это говори о том, что схема моста выгодно отличается от известного устройства, так как в ней объединены характерные для него преимущества и устранены присущие ему недостатки.

Во-первых, в трех продольных плечах моста содержатся резисторы, в качестве которых используются обычно сопротивления стержневого типа, что значительно упрощает конструкцию моста, увеличивает ее надежность и уменьшает ее стоимость, во вторых, компенсацию частотной зависимости сопротивлений продольных плеч осуществлять гораздо проще, для чего достаточно, используя соответствующую измерительную схему, из совокупности сопротивлений выбрать те, которые соответствуют условию (7

1028

в-третьих, если определение поправок для расчета составляюнцих комплексной проводимости измерительных образцов, вызванных наличием остаточных Параметров элементов продольных плеч на ВЧ, осуществляется аналогичным образом с использованием подобных известному устройству формул, то в случае, когда в этом не возникает особой необходимости, либо когда это не эффективно, можно осуществить расчетсоставляющих, пользуясь номинальными значениями параметров, входящих в продольные плечи

5 моста, определёнными на НЧ, погрешность измерения при этом будет определяться в основном частотной зависимостью емкости конденсатора лродольного плеча, а следовательно

0 будет намного ниже, чем в известном устройстве, поскольку частотная зависимость сопротивления выражена сильнее и вносит большую погрешность нежели частотная зависимость емкос5. ти конденсатора, при этом точность измерения активной составляющей в первом Т-образном мооте намного выше и на ней практически не сказывается частотная зависимость продольп ных элементов.

В результате всего этого упрощается конструкция моста и снижается погрешность измерения, обусловленная наличием остаточных параметров элементов продольных плеч, что увеличивает сферу применения моста.

Формула изобретения

Мост для измерения составляющих комплексной проводимости на высоких частотах, содержащий генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, одни выводы которых соединены с общей шиной, и двойную Т-образную схему, состоящую из катушки индуктивности и конденсатора переменной емкости, образующих параллельный колебательный контур, включенный в первое поперечное плечо, один вывод которого соединен с общей шиной, конденсатора постоянной емкости и резистора, расположенных в прилегающих к нему продольных плечах, одни выводы которых соединены с вторыми выводами соответственно генератора напр.яжения высокой 99 частоты и указателя равновесия, а другие - с вторым выводом поперечно го плеча, катушки индуктивности и ко денсатора переменной емкости, образующих параллельный колебательный контур, включенный во второе поперечное плечо, один вывод которого подсоединен к общей шине, и зажимов для подключения объектов измерения, расположенных параллельно конденсаторам переменной емкости, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, продольные плечи, прилегающие к второму поперечному плечу, содержат резисторы, причем первый вывод первого резисюра соединен с вторым выводом генератора напряжения высокой частоты, а второй вывод - с вторым выводом поперечного плеча и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом указателя равновесия. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Кугаевский А.Ф. Измерение параметров ферромагнитных материалов на высоких частотах. М., изд-во Стандартов, 1979, с. 103 ...,1052.Патент Великобритании № 681927, кл. 37, 1952 (прототип).