Способ измерения угла диэлектрических потерь

Способ измерения угла диэлектрических потерь

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначено для измерения угла диэлектрических потерь диэлектрических материалов и может быть использовано в различных областях, где предъявляются повышенные требования к электрическим свойствам диэлектрических материалов, например в электронной и электротехнической промышленностях.

Угол диэлектрических потерь диэлектрика, определяемый разностью фаз между активной и реактивной составляющими переменного тока конденсатора с диэлектриком в его зазоре (или между активной и реактивной составляющими мощности), является одним из основных параметров, характеризующих электрические свойства диэлектрических материалов.

Известны способы измерения активной мощности, основанные на определении фазового сдвига между активной и реактивной составляющими переменного тока. Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является патент RU №2296338, МПК. G01R 21/06, 2007 (прототип). В способе-прототипе для измерения активной мощности переменного тока формируют электрическое напряжение, пропорциональное произведению напряжения на ток нагрузки. Из сформированного напряжения выделяют пульсирующие напряжения различной полярности. Суммируют пиковые значения этих напряжений и результат суммирования измеряют вольтметром. Ограничением способа является невозможность его прямого использования для измерения угла диэлектрических потерь.

Технический результат изобретения - упрощение процесса и повышение точности измерений угла диэлектрических потерь диэлектриков в широком частотном интервале, а также возможность автоматизации измерений.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе измерения угла диэлектрических потерь, включающем заполнение исследуемым диэлектриком зазора измерительного конденсатора и подачу на конденсатор синусоидального напряжения, согласно изобретению формируют переменное электрическое напряжение V, пропорциональное произведению напряжения на конденсаторе на ток конденсатора. Сформированное напряжение V преобразуют в два постоянных разнополярных напряжения V_max и V_min, одно из которых, например V_max, равно пиковому значению положительной составляющей, а другое V_min - пиковому значению отрицательной составляющей напряжения V. Напряжения V_max и V_min преобразуют в два постоянных напряжения V₁ и V₂, одно из которых V₁ равно сумме, а второе V₂ - разности абсолютных значений V_max и V_min. Измеряют напряжения V₁ и V₂, а искомую величину синуса угла потерь определяют по формуле

Для упрощения регистрации величины sinδ, регулируя сформированное напряжение V, добиваются единичного (или кратного единице) значения напряжения V₁. При этом величину sinδ определяют непосредственно по показаниям вольтметра, измеряя напряжение V₂.

Рассмотрим сущность заявленного способа. Пусть напряжение U на конденсаторе емкостью С, зазор между обкладками которого заполнен диэлектриком, изменяется во времени t по закону

U=U_msinδ(ωt),

где U_m - амплитуда напряжения, ω - циклическая частота.

Ток в цепи идеального конденсатора без диэлектрических потерь

а с учетом диэлектрических потерь

где δ - угол диэлектрических потерь.

Мгновенная мощность с учетом потерь, определяемая как P_t=UI, будет

Используя известную формулу тригонометрии для мгновенной мощности получим

где

Преобразуем величину P_t в электрическое напряжение V так, чтобы V линейно изменялось с изменением Р_t, т.е. V=kP_t, где k - коэффициент преобразования. Получим

V=kA[sinδ+sin(2ωt-δ)].

Из последнего уравнения следует, что напряжение V представляет синусоидальные колебания удвоенной частоты 2ω, смещенные относительно оси времени на величину ΔV=kAsinδ. Пиковые разнополярные значения V_max и V_min этого напряжения достигаются в моменты времени, когда sin(2ωt-δ)=±1. Их абсолютные величины

Решая систему уравнений (1) и (2), получим

Как следует из (3), для определения sinδ достаточно измерить сумму V₁ и разность V₂ абсолютных величин пиковых напряжений синусоидального сигнала.

Более того, регулируя коэффициент преобразования k, можно добиться, чтобы суммарное напряжение V₁ было кратно единице, т.е. V₁=1·10^N, где N - целое число, т.е. N=-2, -1, 0, +1, +2 и т.д. При этом величина sinδ будет кратной разностному напряжению V₂=V_max-V_min, т.е.

Например, при N=0 (V₁=1) показания вольтметра, измеряющего напряжение V₂, будут численно равны измеряемому значению sinδ

(при V₁=1).

Учитывая, что для малых углов sinδ=tgδ=δ, показания вольтметра в вольтах будут соответствовать измеряемому углу δ в радианах.

На фиг.1 приведены характерные временные зависимости различных электрических сигналов, поясняющие заявленный способ. На фиг.1,а напряжение U на конденсаторе синусоидально изменяется со временем (сплошная кривая). Ток i конденсатора без диэлектрических потерь опережает по фазе напряжение U на π/2 (пунктир). Ток I конденсатора с диэлектрическими потерями отстает по фазе от тока i на угол δ диэлектрических потерь (штрихпунктир). На фиг.1,б синусоидально изменяющееся напряжение V (сплошная кривая 1), пропорциональное произведению напряжения U на ток I конденсатора, смещено относительно оси времени ot на величину V₂ (пунктирная прямая 4). Пунктирная прямая 2 соответствует постоянному напряжению V_max, равному пиковому напряжению положительной составляющей переменного напряжения V. Пунктирная прямая 3 соответствует постоянному напряжению -V_min, равному пиковому напряжению отрицательной составляющей напряжения V. Суммарное напряжение V₁ является суммой абсолютных значений напряжений V_max и V_min, а разностное постоянное напряжение V₂ - разностью этих напряжений.

На фиг.2 в качестве примера приведена принципиальная электрическая схема устройства, позволяющая реализовать заявленный способ. Конденсатор 1, зазор между обкладками которого заполнен исследуемым диэлектриком 2, подключен к генератору 3 напряжения звуковой частоты. В цепь конденсатора включен усилитель 4 тока, линейно преобразующий ток конденсатора в напряжение. Выходное напряжение генератора 3 и выходное напряжение усилителя 4 подаются на входы умножителя 5, выходное напряжение которого пропорционально произведению напряжения на конденсаторе на ток конденсатора. Напряжение на конденсаторе может быть достаточно большим и значительно превышать напряжение, допустимое для умножителя, потому на входе умножителя это напряжение уменьшается делителем напряжения, образованным, например, резисторами R₁ и R₂.

Переменное напряжение с выхода умножителя 5 подается на входы преобразователей 6 и 7. Один из преобразователей, например 6, преобразует это напряжение в постоянное стабилизированное напряжение +V_max, численно равное пиковому значению положительной составляющей переменного напряжения. Второй преобразователь 7, аналогичный преобразователю 6, формирует постоянное стабилизированное напряжение -V_min противоположной полярности, численно равное второму пиковому значению переменного напряжения.

Включенный на выходе преобразователя 7 инвертор 8 изменяет полярность выходного напряжения -V_min преобразователя 7 на противоположную, т.е. на V_min. Напряжения с выходов преобразователей 6 и 7 подаются на входы разностного усилителя 9, например на неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального операционного усилителя с единичным коэффициентом усиления. При этом на выходе усилителя 9 формируется напряжение V₁=V_max+V_min. Напряжение с выхода преобразователя 6 и с выхода инвертора 8 подаются на входы разностного усилителя 10, аналогичного усилителю 9 так, что на выходе усилителя 10 формируется напряжение V₂=V_max-V_min. Напряжения V₁ и V₂ измеряются вольтметрами 11 и 12 постоянного тока. Для достижения напряжения V₁ кратного 1·10^N (например, 10,1 или 0,1 В), на выходе умножителя 5 включен регулируемый делитель напряжения, например потенциометр R₃.

Таким образом, в заявленном способе угол диэлектрических потерь δ (при малых потерях sinδ=tgδ=δ) преобразуется в непосредственно измеряемое постоянное электрическое напряжение, численно равное (или кратное) величине sinδ. Это позволяет упростить трудоемкие измерения, например при исследовании влияния частоты или амплитуды напряжения на измерительном конденсаторе. Упрощаются также длительные измерения, например при исследовании температурной зависимости угла диэлектрических потерь, позволяющие использовать автоматическую регистрацию, например запись результатов измерений на самописце.

1. Способ измерения угла диэлектрических потерь, включающий заполнение исследуемым диэлектриком зазора измерительного конденсатора и подачу на конденсатор синусоидального напряжения, отличающийся тем, что формируют переменное электрическое напряжение V, пропорциональное произведению напряжения на конденсаторе на ток конденсатора, сформированное напряжение V преобразуют в два постоянных разнополярных напряжения V_max и V_min, одно из которых V_max равно пиковому значению положительной составляющей, а другое V_min - пиковому значению отрицательной составляющей напряжения V, напряжения V_max и V_min преобразуют в два постоянных напряжения V₁ и V₂, одно из которых V₁ равно сумме, а второе V₂ - разности абсолютных значений V_max и V_min, измеряют напряжение V₁ и V₂, а искомую величину синуса угла потерь определяют по формуле

.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируя сформированное напряжение V, добиваются единичного (или кратного единице) значения напряжения V₁, при этом величину sinδ определяют непосредственно по показаниям вольтметра, измеряя напряжение V₂.