Патент 64578

Устройство для измерения параметра колебательных контуров и их элементов

 

1(лясс 21я", 7>

СССР № 64578

К АВТОРСКОМУ СБИ,. ";ТЕЛЬСТЫУ

Згрее(:еприуееп о в Ет;:o " вее, к..... ; .", .

А, С. Спиридонов и В. H. Овсяников

Устройство для измерении параметров колебательных контуров и их элементов

Заявлено 7 апреля 1941 года в Наркомалекгропром ",a Б 42391 (305796) Опубликовано 30 aпреля 1945 года

П г E: д,1 а 1 я е м о е )i c T, i 0 II c T B 0

-!"-,мерения параметров колеба i 3 1bчых контуров и их элементов основано на и пользовании

cB(((I-генератора с электроннолучевь(м осциллографом и работает по резонансному методу. D этом устройстве, согляс lo изобретению, с целью получения «(3 3!;paI(e осциллографа изображе«ия il ой произ.,одной от резонансной кривой

i,ï0 которому и судят о величине п(ра. Стров контура}, напряжение с из,еряемого контура подано на осциллограф через частотный детсктор и ряд каскадзв усиления ня трансформаторах.

Такое устройство можно приме(нть для ораковки резонансных контуров и их деталей по активным сопротивлениям в широком диапязо«е радиочастот при использовании напряжения, модулированного по частоте, а также одновременно измерять и браковать детали по сямоиндукции, емкости и другим показателям. При этом ня некоторой выбранной чятоте и при одинаковых деталях операция измерений может быть сведена к простому подключению измс13леа(ОГО Об ьектя и Отсчетъ !10 индикатору без дополнитель«ых по icTp0e!;, ч(o неьозможно пр«

НСПОЛЬЗОВЯНИ CÓ1Ö(CTBЪ ЮГЦ«Х МЕ- тодов. Чувствительность и точНОСТЬ ИЗ (ЕРЕ«Н!! МОГ „ Т ОЫТЬ П0,1,—

ЧЕНЫ 10C «,-ОЧ!(О 00;ibIIIHi»«. г

i «Ill 0C (Ь 300РЗТЕНИЯ ПОЯС!1:CTся -;ергеж01, нл ф !г. 1 <0T0ð 0(0 дя«а схема поспело:-ательного р30«H!I< Я С ЯКТИВ!10«ИЛИ ИН.",УКГ(13ной связ!.!о, я на ф(;г. 2 — то же с

e»ê0cT!(0!I св,зью. Граф«!еское измене««е функций и про«зводнь(х «зооражено на ф !г. 3. Принцип«альная схе:,lа устройства грсдстявлена ня фиг. -. . г",е à — генератор, У вЂ” уси,*(I Teë!, Π— осц«ллогряф. Ня фиг. 5 «зобряжены: кр«s:ÿ изме«ения частоты генератора в зявисииост«от времени (кривая /71 1"1 кривая !13л!вне(;ия напряжения на горизонталь«ой развер-;ке осциллографа, па экра!(е которого появит я изооря.кение функции. показанное на фиг. б (крин,!я:! . Схемы для измерения I 0(iденсяторов пок !заны на фи". (я и (1). На фиг. 8 изображена эк. в ивалентная схема первого каскада..% бг1578

3 у = уа+з"-у и :,х

a ç"

У =

1г аа - -:(а

"==. " Π—, - "

1 Як указь1валось выше, В предлагаемом устройстве используется

ыапряжение, модулированное по

1ястоте. Применение напряжения, модулированного rlo частоте, дает гаОЗЫОжНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВатЬ дЛя ИЗ..аерений свойства производных о;функций, изображающих изменения проводHNocTH или сопротив. :ения контура с частотой.

V;H(изв-cтно, указанная ф д.ц ция может быть изображена з Ви:;e выражения

Для случая последоватсльног0 резонанса (фиг. 1 — связь из\iepHтельного контура с ис"1 очником

На Г1 1 ЯЖЕЕ1ИЯ Я КТИВНЯЯ ИЛИ ИНДУКтивная) имеем

"— ПРОВОДИМОСТЬ i.orir)iPH, а †активн сопротивление (OíЧ У Оа И

При параллельном же резонансе фиг. 2 — связь cìêOcr. ая) соотВетс«-венно будет е †сопротивлен контура, < — активная f)ОВОди ыость I(он-:. ;.ра или его прогсдкмость при

1 — Г -, где г г; - — РЕ,1ИЯНС 1Я 1 Ч "Cтота 1(ОПТУ" J

IB

Ьа велич. На отклонения час;оты сигнала or резонансной час Оты I(0нт pаВид функций у, v, у", у" представлен ня фиг 3.

11з рассмотрения этих фу ii ций мо;кно сделать следующие выводы:

i) 1 1

V, У = =„-, =. — 1 ":113,.i 1г а - —, (г " " а

Значение у„,,. максим ума функций имеет место при х=О и 00ратно пооиорциоиально первой степени величины а.

Положение максимума не зависит от величины и.

21,, 2 1 у = -хуа; у .1 3 у1 —— 0 чги .1 —.— 0.

Фуикци11 иаlе T дВя максиму. 1я, расположенных симметр»ilíî оси ординат; при этом значения максимумов обратно нропорцисна 11=11ы второй степени я.

Функция имеет одну нулев.. о точку при х=О> положение кот0рой не зависит от а.

8 2 1

-т/5

ray 5 а

=0 П1111 . = т „: ° a.. 2

Функция имеет три максимума, значения которых обратно пропорциональны третьей степени я.

Функция иг1еет две нулевых точки, положение которых относHтельно x=0 H друг друга зяв.".— сит линейно оТ величины а. — — — — 5. r =0 при х=-0

А1 г а

> аа

Ъ и яр 1 х=-l —,— а — 6.

Ф нкцяя имеет четыре мак=,-:—

:, ума, значения которых о,p;Iriio пропорциональны четвертой с гепепи а.

Функция имеет три нулевых точ: .1; положен11е нулевой точки при х= 0 не зависит Oт я и по Оа!:е— и;я двух други: точек являю ся линейной функцией а.

В соответствии с полученным "

ВЫВОДЯМИ ВОЗМОУКНЫ ДВЯ МЕТ .!!IË измерений:

1) метод, построе IIIbIH на ипользовянии свойств нулевых точек функций (а=-ьх}, где b=сu.", 1;

-" ) метод построенный на игг ояь1 зовании свойств амплитуд сру11кА ций при амплитуде, ра вно 1 — -+, где п — порядок производной.

Рассмотренные выше фун; ии .ложно получит1- изменением напряжения на контуре с помощ1по с."(емы, представленной на фиг. 4.

Схема состоит из генератора, си"Hàë которого, мод; лировани.1Й по частоте колебанием, представ 2 64578

;B1пп„.:; на фпг. э(1, по;дается чер з индуктиB!I (o илп емкостную связь на измерительный контур.

Предварительно сигнал может быть усилен с помощью синхронного у.силителя. стаоилизированного диодом.

После измерительного контура, яBляющегocR частотным де-,екторо.;(, сигнал, модулированный также по амплитуде, которая меняется по закону резонансной кривой контура, подается на вход амплитудного детектора. Нагрузкои детектора является по существу

r;åpâè÷nàR обмотка трансформатора, напряжение на которой меняется по закону первой производной.

Вторичная обмотка трансфсрматора вкл(очена на вход усилителя, нагрузкои которого является второй трансфопматор.

1-1апряженпе вторичной обмотки второго трансформатора, меняю(щегося по закону второй производной от резонансной кривой

Н,,IITópà, подается па вход следуюI: - оси.!и»пой . "ÄI(ai, нагрузкой которой является также трансформатор.

Выход схемы представляет вторичную обмотку последнего транс(1(орх(атора, напряжение на которой меняется по закону третьей

ПРОизвОДной.

В случае емкостной связи контура с источником напряжения силу тока, проходящего через измерительный контур, можно считать постоянной.

Так как напряжение на контуре равно U=-1Х, а 1=-const, то изменение напряжения на контуре повторит и"-,ì»åíåíèå 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 схему первого каскада (фиг. 8). В(— активное сопротивление, равное сумме сопротивлений выхода.

Cl (В сл;,чае 1R(- — будем иметь.

d! е

1 = —, Р( т. е. ток меняется по закону и"мененпя напояжения с.

Напряжение же на индуктивпссти 1

di ((= — 1,—.

dI т. е. меняется по закон . пер 1(Оп производной от Ьун I(,HI(из(епения тока; также изменяе(ся напряжение на вторичной îoмотке тра(-:сформатора, paB(.oe кLi„òàê:-;."::;

d(n

R.4 12 где .Г;, — сопротивление с тк.. -г(0 .- Одтчощец ламп(1

Повторяя .приведенное расс дение, приходим к заключенl!!о: а) HBnрл:кение на Оооих ° 00мс" ках второго трансформатора м=няется 110 закону второй про;— воднои; ся по "-аконv третьей (роизводной.

Напряжение на выходе каждого

КаСКаДВ (!P(:cv(BOi, ЧаСтИ СХЕМЬ(:Еняется го закону производной о. функции изменения напряженп: на входе.

При методе измерения с пспользовачие d изменен.п(пмплпт .д

f) нкцпl, на Вь(ход схема:, . Одк"!oJ чается пикОВып Вольтметр. Тогда, производя Операции, сооТВЕТс.твующие методу замещения плн любому другому, будем иметь ;.—

ВНс!Iм0сть (>тклонcnli!1 вольтме:" а

0Т СОПООТИВЛЕНПЙ I OHT) PB В ВИД..

A а =

11+1 а

Есл(1 через обознач (и относительное изменение величины а и чеpos з — соответствующее от(:..сите.-.ьн е изменение величины буд ;.:1 ((меть

;J J==-(11 — — ц 1.

1ак у".ке у.казывалось, а равно активному сопротивлению контура в случае индуктивно" сгязи, ¹ 64578 а при емкостной связи а равно активной проводимости контура.

Используя для измерений и-ую производную, мы увеличиваем чувствительность индикатора к изменению сопротивления контура в (и+1) раз.

Влияние же нестабильности амплитуды генератора и других частей схемы одинаково для всех возможных случаев.

Если резонансная частота контура при подклю ении измеряемых или сравниваемых деталей остается в пр делах изменения частоты генератора, то для отсчета не требуется дополнительнгй 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 стеленью чувствительности и дающий отсчет при простом подключении измеряемых деталей без дополнительных операций при измерении.

) )1)ибер может быть построен на широкии 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 емкостной связи при использовании функций у "= f(x).

Исходным поло;кением является

Г

3 или для данного случая ю = )ю+50).

После несложных преобразованийий в предположении ю)ю))Ла будем иметь х=2 ° Ью)С и g=2 p ° Ью)С. .Г 2, (2) з

Здесь Лю)=2)-ЛР расстояние между нулевыми точками кривой в единицах частоты, п,1и этом положсние точки при х=0 не зависит от величины g, а определяется исключительно величинами L и С контура, определяющими также и его резонансную частоту )„равную

1 ю YLC.

При измерении по этому метпду на выход устройства в качестве индикатора подключается ос» циллограф (фиг. 4).

На пл" ñòèíû вертикальной развертки осциллографа подается напряжение с выхода схемы, меняюгцееся по закону третьей производной функции, изображающей изменение проводимости контура с изменением частоты генератора относительно его средней частоты, при равенстве ее резонансной гастоте контура.

На пластины горизонтальной развертки осциллографа подается напряжение, меняющееся по линейному з.;:;01! v и синхроннзнровя."ное по частоте и фазе с напряжением вертикальной развертки (фиг. 5Ь). При этом на экране осциллографа появляется изображение функции Х, = f (l) в виде, представленном на фиг, 6, в которой =1<(— mo) =Ма.

Если а) )Лю), то х- ml; у" = nL,. где m,n u k — постоянные величины, (†îòêëîíåí луча по экрану осциллографа в горизонтальном направл;нии,, †отклонен луча по экрану осциллографа в вертикальном направлении.

Расстояние ме" ю и; чев точками по экрану осциллограф . определяется выражением

g=b г.. . (З)

- ь b A Eþ (4) если l=0 при х=О.

Нужное положение кривой ня экране достигается либо измене

Ж 6!578 ние;,| средней частоты генерагора, либо изменением настройки контура.

HpI использовании осцилло рафа как индикатора для определения измеряемых величин возможно применение нескольких методов OTсчета.

1. Отсчет 4F — изменения средней частоты генератора, нужного для последовательной установки на риску экрана осциллографа (например, в положение, соответствующее Е =0) нулевых точек кривой l, и 4 . При этом расстояние между нулевыми точками (1, — 1,) в единицах измерения частоты будет 4Е.

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

3. Отсчет по эталонам, включенным L, контур. При этом осциллограф используется анало1 ично стрелочному прибору при измерениях резонансным методом.

Если Pð474iëòü,. что положение нулевой точки Г, соо i ветствует 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 большой 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 контура при двух измерениях:

И 4)r С 44 илиg b 44. г

Исходя из этих формул, имеем

Я, = -")I,, С (|7- — )4.,1 (5i

H:" Q = (7 0с — 7 „) (51

Вводя обозначения |1- Ь1:|=Л7 и

l, — l„4=hi, получим

4,=4), —, С f

3 (6) (6|) Сопротивления, эквивалентные потерям контура, определяются пря;,:о из формул (2) илп (3).

Следует заметить, что выражения (5) и (6) указывают на возможность получения непосредственного отсчета о. и д,-, с помощью градупровки их в единицах величин ЛГ<, Ь(, Е и lo

Если измерительный контур представить в виде параллельно соединенных индуктивности L, емкости С и активной проводимости

g (фиг. 2), то добротность Q выражается пз отноп .еи-:ия .еактивного сопротивления к активному:

Для индуктивной и емкостной связи выражение (7) при измерении рассматриваемым мето <ом будет иметь впд:

1гз

Я вЂ”вЂ” г1:г |с (8) где f — частота при измерении, ЛŠ— расстояние между нулевыми точками в единицах измерения частоты.

Из формулы (8) следует, что для некоторой выбранной частоты возможна градуировка отсчета AF в единицах Q. Для других частo;"

7| нужпо будет ввести множители (f — частота, выделенная для градуировки).

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

Л б4578 получаемые при измерениях зняче».:.я за добротность катушки.

В случае емкостной связи COGственная емкость катуп»ки не влияет на ее добротность, так как эта емкость подключаетс11 параллельно емкости конденсатора контура.

При включении в контур детали, имеющей активную и реактивную составляющие, измерения сведутся к следующим операциям: а) ОпОРделяется реякт1явня(1 cocTHвляющая установкой нулевой точки кр11вои, соответстьующей х -=-О, на одну и ту же риску экрана осциллографа, с отсчетом двух состветствующих частот. 3десь возможно также при..!епе!!ие переменных эталонов. Величина !Яеак !IBi !!ОЙ составляющей, полу чяемОЙ пр» !

1змерени1-1, пе зяв IcIIT от à.!;т:!зной составля1ошей сопроти» IpiI»я детялеи; б) величина активной составлг»0п(ей о!Тределяется затем:!о (IIupмуле, применимой в )Ia!!1!oi«cлучге.

Измевяемая величина 7» и11е10Iцяя я.i"i !»Нну J проводимОС г!> g 11 емкость С,, подключается пар-.лЛ Р Л Ь Н 0 11 0 Н ТУ 13 Ч» П Р И Э Т О М

М, L и С -- значения до подключения 7, М „ и С,— значения»ри II«.110ченном Л. ,.гт, „., 10гда; =4 —,. It " . r-, (, — !1 . (,)

3 где Ы вЂ” расстояние между нулевьп:и точками кривой ня осц 1:1-001:В ЯЯ1Е В Е 1!!11»ц;ЯХ tI

P Icc., u.! риii ...=!!Рре»1ie у; лов 110терь конденсатороь (фиг. 7). l> од»о>. случае эталонный конденсатор

>(0» I РЯ (э, ПО СОЯ"!11 I

С,. =C,.

Указания". зямсна измен»т ыктивную проводимость контура на вели !ину активной проводимос-и образца.

И з в ы р Я ж е н и я 6) 3 JI II, I I ф 0 рмулы для угла потерь, которыс в дынном случае будут равны

gX

° с., „ М» получим 1» " = 2!/ —., 3 f

Зт", фор.,!ула (9) показывает ня во; !Ож!!!;=Ть полу-ic".íè»1 непосредственного отсчета угла потерь посредством отсчета частоты или И» где И=ГО! — ГО °

В другî;! случае измеряемы!1

Iiонденсагор подкл1очается парал. лельно эталонною . Изменением емкости эталонного конденсатора дост1ггяется первоначальное положение нулевой точки и кривой н акра»е осциллографа. Л.-.я этого слччая

Сэ

6. Ямениь g,, его зпаче1:;ем, (бj IP.!

»меть: !

» 3 (-э — — (э, IyII

Наибольшая чувствительность требуется прп измерении углоь потерь. Если в этом случае выбрать угол 0,2 за величину чувствительности,тo чувстви" å.ëüíîñòü по экрану осциллографа должна соответствов 11!э \»э 10 час 1 О 1 ь1 I опер(ТОПЯ

Требуема1! чувствительность может быть получена увеличением папряжени;; развертки осциллографа и умень» ением отклонения частоты генератора от е среднего значения.

При этом кривая может не уложиться а экране осциллографа, ч i o однако не 11м» т существе"ного заачения. ,постижение указанной чувствительнос и вполне возмОжно и позволяет измерять температурны е коэфициенты емко.-.ти и индуктивНосТВ контура. Эти измерения производятся с помощью отсчета частоI I! генератора при установке нулевой точки кривой or циллографа х =-О на постоянную риску экрана осциллографа. Есл!1 для отсчета частоты применить .летод биений, то в этом случае не треоуется ста.)Ильного генератора, что наряду с независимость(о положени(1 пулевой гочки кривой при х= — О от величины сопротивления контура, дает указанному методу больш Ie преимун„:ества перед другими.

Точность измерений определяется прея(де всего чувствительностью схемы.

С другой стороны, точность определения измеряемых величин g, Q, t< по приведенным выше формулам завис IT от справедливосги дои (цен.-гя >)))Qrl) что соответствует дону с(пи(о 1=-соп-I в выражении

Однако пр i измерении углов

".0Tåpb, как в наиболее ответствен< Ом C;,учае, это допушение че внесеТ заметных ошибок, поскольку

ОНО ОТНОСИТСЯ К НЕООЛЬШИ - IIPHPBшания;i величины х, имеющим ме;-.(о в данно» случае, т. е. в случае, ::.-.гда с достаточной СтЕпЕн(ПО тОч(<О=ти вето maâ" нств ) Лх = !<М

)О! ОЕШ..ОС r И, О. rlO - ЯШП СЯ k CIIOсэбу вкл(счен lrj о; pH3L Q и д!эугигп в;;е(т!н (м при пинам, имеют здесь го же значен«е, гго и пр.i измеренияхх Обыч(! Ым pp30ilñl(!c«ыъ! методом. 3, и о циб:-:и ппн измерении угла потерь образца исключаются в uoëüøîé иере при использовании доб .ço !ного эталонного конденсатора, когда опарац«п измерения и вкл;.0

Погрешпэсти, вызываемые искажениями криво" в прие)"..0 I части

СХQÌ Ы, МО ГУT ОЫТЬ СВ-Д .. НЫ К М И;;HMóiIó за счет достижения линейности всех его каскадов.

Изготовление установки или устройства, работающего на рассматриваемо;<1 пр iê«èпе, не может

Вст!)е Гить принци(1 (Сlьно непреодоли"ш,!х трудностей, если учесть и.:еюгциеся до ти кения техники пз;ерени,,. ам же метод и:)зволяет

ПО.. -1,, --.Ь ДОСтатО-(НЭ ТОч«Ыа РеЗ < Л ЬТ аТЫ Ii 00 а<. Два Р Я ДО:,l ",ОСТОи«с "}>, к кОтопым пражд< всего

C T iI O C Я Т С и .

1. В-,)з. .(О; iiiocTb дОстпже(.ИЯ оольн!Ой скорости из.".ерений, что î-0бенно важ: о при разоракэвке д.(-а»о!(2. Возможность измерения на одно. установке всех параметров ко«тура и его деталей, имен 0: сопротнвлення,,;,эбрэтs!Ости, угла п<)таоь емкостей, инд1 (тнзнОст!< при.: э !,ениЙ этих Бел(1

3. !змсрення х(огс т пропзвоДИ ЬСЯ В ВЕСЬМЦ ILjijooiii)ij Д;-:."..1 iзо«е гадночастот.

4. < )Тс . тсгвие j в, е!) << д <-!С()ысо(;ие;.реоован!.я к i . биль«ости средней !ас го гы ге!ц—

К! О.... I;О..Т Ou1

Пред. ет пзоор т = и( crpov..тзо для и=..":ã!;-"j i" . jметроз "Oлсбате,,ьны. . ко!< г:uo(« их эле: нгоз по рез<)на:-:с(;э.»;у;,(етоду, оде:жащае: i!ï- ган.-.р.-!т:р

И = аКТРОНН ).IМ:ie-„-:!i ОСЦ (:ОГ л

0òë« "«гон,ееся тем. что, с целью пол чан«я на экрана Осц!!ллографа изобра же«!(я и-с<1 н ро

BG„",Ij0I! ОТ РЕО<(аНСНР.1 и!)НВО!",;О ,.О < OOO- „ 1- СМДЯ-). O P Е < И Ч 1; 1,» рамето.:а контура, напра)канне

ИЗ. .ЕР 1ЕМОГО КОНТ) PII ПОД<1Н<) Н i

oсци.!лограф чаоез 1астотныи детектор и ряд каскадов усиления;-.;1 трансформаторах.

Ие (1 ВАЯЯ

Фиг. 2

Фи-.. 3

Р

Г! Т! ! Т!

/В и(;,,3 1

- - " -4 гг! !-т-!

/, !

1; Г ! !

О,4

1 Т !

/) с (, (I

М б4578

Отв. редактор Д. A. Михайлов Техн. ре„-актор М. В. Сяольякова

Л149963 Подписано к печати 26/XI 1946 г. Тираж 500 экз. Цена 65 коп, Зак. 32

Типография Госпланизпата, игн. Воронского, Калуга