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

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а точнее к измерениям комплексных величин и их параметров, и может быть использовано, например, в устройствах для измерения электромагнитных характеристик материалов на высоких частотах. Известны одинарные Т-образные уравновешиваемые мостовые схемы для измерения составляющих комплексного иммитанса образцов материалов и их параметров на высоких частотах, в которых активную составляющую измеря емого образца, а часто одновременно и реактивную составляющую, измеряют либо по изменению величины переменно го сопротивления, представляющего со бой многодекадный магазин активных проводимостей, либо по изменению величины переменного конденсатора, при чем схемы, в которых регули{зуемыми элементами являются только емкости, обладают гораздо большими возможностями, так как позволяют производить измерения на более высоких частотах и с меньшими погрешностями lj. Недостаток этих схем - низкая точность измерений (особенно малых образцов материалов} на высоких частотах из-за.весомого влияния остаточных параметров элементов плеч, приводящая к необходимости введения поправок, определение которых с достаточной точностью представляет собой трудоемкую задачу, а на более высоких частотах вообще теряет какой-либо смысл. Наиболее близким по технической сущности является мост, имеющий генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, одни выводы которых подключены к общей шине, и одинарную Т-образную схему, содержащую конденсатор переменной емкости, включенный в поперечное плечо, один вывод которого соединен с общей шиной, зажимы для подключения объекта измерения, расположенные параллельно конденсатору переменной емкости, резистор, подсоединенный в первое продольное плечо одинарной Т-образной схемы, во второе продольное плечо ко торой включена катушка индуктивности причем один вывод резистора соединен с вторым выводом указателя равно весия , а второй вывод резистора с вторым выводом первого конденсатора переменной емкости и с одним выводом катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с вторым выводом генератора напряжения высокой частоты, и второй конденсатор переменной емкости, включенный параллельно резистору и катушке индуктивности продольной ветви 2, Схема, используя подключение образца параллельно поперечному плечу, реализует метод двух уравновешиваний при разомкнутых зажимах и при включе нии измеряемого объекта. Из условий равновесия моста без образца и с образцом имеем: .yCcw-RbAC);/ (Л Ь -оилС, (Ч1)(4й (Cf) (.1) . -С i ЛС2 tx) с ttt) т.е. стечет составляющих изм яемой проводимости осуществляется по изменению емкостей. Однако, уравнения из мерения известного устройства сущест венно отличаются от () и (2), если учесть остаточные параметры элементов плеч моста, причем, как показыва ет практика, наиболее существенное влияние на результаты измерений оказывают сопротивления потерь катушек индуктивности, поскольку добротность последних в несколько раз ниже, чем добротность конденсаторов. В этой св зи окончательное условие равновесия известного устройства с учетом сопро тивления потерь катушки индуктивност записывается как: P,-.(.)(ru.) j;y откуда уравнение измерения (.1) и C2 принимают вид g-,.1/|a,4.c,V.()T (4 . Отсюда видно, что наличие сопротивления потерь катушки индуктивности приводит не только к искажению фиксации режима схемы, которому соотвегствует условие равновесия, но и к искажению основных уравнений, т.е. к неверному отсчету составляющих измеряемого образца; учет влияния сопротивления потерь катушки индуктивности с достаточной точностью в виде введения поправок затруднителен из-за их сложной зависимости как от частоты измерений, так и от изменения емкостей регулировочных конденсаторов. , Все это сказывается на точности измерений особенно малых величин образцов материалов на высоких частотах и является существенным недостатком известного устройства, ограничивающим его широкое применение. Цель изобретения - повышение точности измерений комплексной проводимости особенно малых образцов материалов на высоких частотах одинарной Т-образной мостовой схемы с отсчетом составляющих по изменению емкостей. Поставленная цель достигается тем, что в мосте измерения составляющих комплексной проводимости на высоких .частотах, содержащем генератор напря жения высокой частоты, указатель равновесГИя, первый вывод которого соединен с общей шиной, и одинарную Т-образную схему, состоящую из конденсатора переменной емкости, включенного в поперечное плечо, первый вывод которого подсоединен к общей шине, зажимов для подключения объектов измерения, включенных параллельно конденсатору переменной емкости, резистора, подключенного в первое продольное плечо одинарной Т-схемы, катушки индуктивности, включенной в другое продольное плечо, первый вывод которой соединен с одним выводом генератора напряжения высокой частоты, а второй вывод - с вторым выводом конденсатора переменной емкости и с одним выводом резистора, другой вывод которого подсоединен к второму выводу указателя равновесия, и второго конденсатора переменной емкости, включенного в продольную ветвь параллельно катушке индуктивности и резистору, параллельно поперечному плечу подсоединен вход повторителя напряжения, выход которого вклюуен последовательно с генератором напряжения высокой частоты. На чертеже приведена электрическая схема моста. Мост содержит генератор 1 напря жения высокой частоты, конденсатор 2 переменной емкости (С) , служащий дл уравновешивания и отсчета по реактив ной составляющей измеряемого образца резистор 3 (R), катушку k индуктив ности (L, г), конденсатор 5 переменной емкости, служащий для уравновешивания и отсчета по активной состав ляющей (С. , повторитель 6 напряжечия (ПН) и индикатор 7, измеряемый эбъект 8. Напряжение от генератора 1 посту |пает на Т-образную цепь, состоящую из резистора 3, катушки индуктивности и двух конденсаторов 2 и 5 переменной емкости. Вход ПН 6 подключа ется параллельно конденсатору 2 пере менной емкости, а выход - последовательно с генератором 1 напряжений вы сокой частоты. Индикатор 7 баланса схемы включается на выход Т-образной |цепи, а измеряемый объект 8 параллельно конденсатору 2 переменной емкости. Уравновешивают схему дважды: без образца, т.е. при разомкнутых за жимах 9-9 ( холостой ход), и с образцом, конденсаторами переменной ем кости 2 и 5 по нулевым показаниям индикатора 7. Данные для расчета реактивной составляющей отсчитывают по /1имбу конденсатора 5 переменной емкости, а расчет осуществляется либо с использованием формул, либо непосредственно по лимбам конденсаторов и 5, которые в этом случае должны быть отградуированы в определенных единицах измерения, в зависимости от характера измеряемой проводимости. Мост такого типа, как и другие Т-образные уравновешиваемые структуры, относят к устройствам с узлом уравновешивания токов, т.е. в нем происходит уравновешивание токов Т и 12. В момент равновесия, когда ток через индикатор 7 равен нулю, эти токи равны по величине и протцвоположны по Оазе: 1, -1а, (6) т.е. потенциал точки 10 индикатора моста оказывается равным потенциалу земли, что равносильно тому, что кон денсатор 5 переменной емкости и рези тор 3 заземляются, причем последнее подключается параллельно конденсатору 2 переменной емкости на вход ПН 6 Если при этом сопротивление резистора 3 и емкость конденсатора 2 . переменной емкости выбраны так, что для всех частот измерения выполняется неравенство , (что особенно характерно для малых образцов материалов), то ток t, протекающий по катушке индуктивности, замыкается, в основном, через сопротивление резистора 3 Cifc I- ) падение напряжения на котором через ПН 6 суммируется с напряжением питания моста. Напряжение на выходе ПН 6 определяется выражением: (8 а общее уравнение для напряжения цепи компенсации, при условии, что внутреннее сопротивление генератора настолько мало, чтб им можно пренебречь с достаточно высокой степенью точное- ти, принимает вид: где GO напряжение генератора высокой частоты; К - коэффициент передачи ПИ (. Подставив значение V из уравнения (8/ в (9), после некоторого преобразования определяем значение тока, протекающего в этой цепи, и условие компенсации активного сопротивления катушки k индуктивности ju}b- il- -i viR- tUTu. Г-КцЯ . Vo J-/t - . При этом следует отметить, что РН решает только отведенную ему узкоЬпециализированную задачу компенсаций активного сопротивления катушки индуктивности, поскольку обладает достаточно высоким входным и очень малым выходным сопротивлениями, что не позволяет ему практически оказывать сколь-либо заметное влияние на условие равновесия моста , т.е. на процесс измерений. Условие равновесия одинарной Т-образной структуры для схемы моста в случае, когда обра зец не подключен, а сопротивление по терь катушки k индуктивности скомпен сировано, записывается как jty Ljujc;; R.- -j«jyu-vR. 0 (13 jCyCa I) Если приравнять вещественные и мнийь части уравнения (13) к нулю, то окажется, что первоначальное уравновешивание моста достигается при равных значениях емкостей переменных конден саторов С 1/(оиЧХ (1) что упрощает и повышает точность начальной настройки схемы и улучшает ее сходимость. Для схемы моста в случае, когда образец подключен, уравнение равнове сия принимает вид Си) ja;U(ju c;Ver - jb)Ro4-jWU4 л :) 1 Взяв разность между С15) и НЗ око чательное условие равновесия схемы |В случае метода двух уравновешиваний получаем в виде. j Li:jcyuCi+g.)R. jO-uC-L ЛС - изменение емкостей соответственно C.f и .г -с 1 г 1 причем С. С 41 3L - i г;;скрь зая выражение (16, т.е. : равнивая к нулю вещественные и ,v.-:м(-VT части, активную и реактивную сссйвляющие проводикэсти в этом слу -Л--:: г,раделяют из,равенств; р.И/Сш яилСз.); Ъ --сг;дСн . Таким образом, предлагаемая схема мое i-a позволяет производить измерени составляющих комплексной проводимоети по изменению емкостей, она содержит минимальное количество элементов необходимых для уравновешивания и ра дельного отсчета составляющих проводимости измеряемого образца;первоначально уравновешивается при равных значениях емкостей переменных конденсаторов; имеет раздельный баланс по активной и реактивной составляющим; в схеме моста регулируемый элемент и измеряемый объект заземлены, т .е. подключаются в поперечное плечо моста; и наконец, схема устраняет влияние рстаточного сопротивления потерь катушки индуктивности. Формула изобретения Мост для измерения составляющих комплексной проводимости на высоких частотах, содержащий генератор напряжения высокой частоты, указатель равновесия, первый вывод которого соединен с общей шиной, и одинарную Т-образную схему, состоящую из конденсатора переменной емкости, включенного в поперечное плечо, первый внвод которого подсоединен к общей шине, зажимов для подключения объекта измерения, включенных параллельно конденсатору переменной емкости, резистора, подключенного в одно продольное плечо Т-схемы, катушки индуктивности, включенной в другое продольное плечо, первый вывод которой соединен с одним выводом генератора напряжения высокой частоты, а второй вывод - с вторым выводом конденсатора переменной емкости и с одним выводом резистора, другой вывод которого подсоединен к второму выводу указателя равновесия, и второго конденсатора переменной емкости, подсоединенного в продольную ветвь параллельно резистору и катушке индуктивности, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности измерения, параллельно поперечному плечу подсоединен вход повторителя напряжения, выход которого включен последовательно с генератором напряжения высокой частоты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Кугаевский А.Ф. Измерение параметров ферромагнитных материалов на высоких частотах. М., изд. Стандартов, 1973, с. 90-105. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке f 2909 39/18-21, 17.0.80 ((прототип).