устройство для измерения диэлектрических потерь конденсаторных датчиков

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ КОНДЕНСАТОРНЫХ ДАТЧИКОВ, содержащее источник напряжения, усилитель и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены задающий генератор частоты, формирователь опорного напряжения, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй интеграторы, первый и второй модуляторы, модулятор опорного напряжения, первый и второй усилители мощности, коммутатор, блок эталонных сопротивлений, эталонная емкость и емкость обратной связи, выводы которой подсоединены соответственно к входу и выходу усилителя, выводы эталонной емкости подсоединены к выходу второго усилителя мощности и к входу усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго фазовых детекторов, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго модуляторов, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго усилителями мощности, выход первого усилителя мощности соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с входом усилителя и выходом блока эталонных сопротивлений, вход которого соединен с выходом модулятора опорного напряжения, вход которого соединен с управляющим входом второго модулятора и пятым выходом формирователя опорного напряжения, вход которого соединен с выходом задающего генератора частоты, вход которого соединен с выходом источника напряжения, первый, второй, третий, четвертый и шестой выходы формирователя опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами второго фазового детектора, с первым и вторым управляющими входами первого фазового детектора и управляющим входом первого модулятора, третий вход коммутатора соединен с земляной шиной, а первый, второй и третий выходы коммутатора являются первым, вторым и третьим выходами устройства, вход индикатора соединен с выходом первого интегратора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборам для измерения электрических величин и может быть использовано для измерения диэлектрических потерь в конденсаторных датчиках и соединительных линиях, например электроемкостных топливомеров.

Конденсаторные датчики, предназначенные для измерения диэлектрической проницаемости, включаются в измерительные схемы электроемкостных топливомеров на переменном токе и выдают информацию об электрической емкости конденсатора. Диэлектрические потери, вызванные частичной электропроводностью топлива, загрязнением топлива и элементов конструкции датчиков, некачественной изоляцией соединительной линии, ухудшают достоверность и точность показаний электроемкостных топливомеров. Поэтому в процессе эксплуатации требуется проверить диэлектрические потери конденсаторных датчиков и соединительной линии.

Известны устройства для проверки диэлектрических потерь или качества изоляции, например мегоомметры Ф4101/1 ГОСТ 23706-79 или М4100 ГОСТ 22261-76, в которых измерение производят по двухполюсной схеме подключения объекта контроля на постоянном токе и при повышенных напряжениях величиной 100 В и более.

Известен универсальный мост Е7-4, который измеряет величину сопротивления на постоянном и переменном токе 100 Гц от 0,1 Ом до 10 МОм с напряжением питания моста 3,5 В с погрешностью 2%, но не является автоматическим, не позволяет раздельно измерять величину сопротивлений, соединенных в треугольник, при наличии шунтирующей емкости конденсатора.

Приборы 4270А (производство США) и МЦЕ-9А [1] измеряют С, q и t g и не приспособлены для измерения непосредственно диэлектрических потерь в виде R.

Известно также устройство ("Радио", 1984, N 1), основу которого составляет усилитель постоянного тока, для измерения на постоянном токе.

Измерение на постоянном токе имеет существенный недостаток, так как в этом случае не могут быть определены диэлектрические потери поляризации в датчиках, которые меняются с изменением частоты переменного тока. Кроме того, измерения производятся по двухполюсной схеме подключения датчика без учета шунтирующей емкости, при этом не могут быть измерены раздельно составляющие сопротивлений, соединенных в треугольник.

Целью изобретения является повышение точности измерения диэлектрических потерь конденсаторных датчиков.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения диэлектрических потерь конденсаторных датчиков, содержащее источник напряжения, усилитель и индикатор, введены задающий генератор частоты, формирователь опорного напряжения, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй интеграторы, первый и второй модуляторы, модулятор опорного напряжения, первый и второй усилители мощности, коммутатор, блок эталонных сопротивлений, эталонная емкость и емкость обратной связи, выводы которой подсоединены соответственно к входу и выходу усилителя, выводы эталонной емкости подсоединены к выходу второго усилителя мощности и входу усилителя, выход которого соединен с входами первого и второго фазовых детекторов, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго модуляторов, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго усилителей мощности, выход первого усилителя мощности соединен с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с входом усилителя и выходом блока эталонных сопротивлений, вход которого соединен с выходом модулятора опорного напряжения, вход которого соединен с управляющим входом второго модулятора и пятым выходом формирователя опорного напряжения, вход которого

соединен с выходом задающего генератора частоты, вход которого соединен с выходом источника напряжения, первый, второй, третий, четвертый и шестой выводы формирователя опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами второго фазового детектора, с первым и вторым управляющими входами первого фазового детектора и управляющим входом первого модулятора, третий вход коммутатора соединен с земляной шиной, а первый, второй и третий выходы коммутатора являются первым, вторым и третьим выходами устройства, вход индикатора соединен с выходом первого интегратора.

При этом задающий генератор частоты и формирователь опорного напряжения предназначены для формирования опорных напряжений, необходимых для управления модуляторами и фазовыми детекторами. Фазовые детекторы и интеграторы по активной и реактивной составляющим предназначены для разделения на ортогональные составляющие усиленного сигнала небаланса измерительного моста и их интегрирования. Модуляторы введены для формирования напряжений обратной связи контуров по активной и реактивной составляющим. Усилители мощности предназначены для усиления сигналов обратной связи контуров по активной и реактивной составляющим. Набор эталонных сопротивлений введен для измерения пределов измерения треугольника полной проводимости датчика.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства для измерения диэлектрических потерь конденсаторных датчиков; на фиг. 2 - эквивалентная схема датчика; на фиг. 3 - эквивалентная схема моста; на фиг. 4 - временные диаграммы работы устройства.

Предлагаемое устройство для измерения диэлектрических потерь конденсаторных датчиков содержит источник напряжения 1, задающий генератор частоты 2, формирователь 3 опорного напряжения, модулятор 4 опорного напряжения, первый и второй фазовые детекторы 5, 6, модуляторы 7, 8, блок 9 эталонных сопротивлений, второй усилитель мощности 10, усилитель 11, первый и второй интеграторы 12, 13, индикатор 14, первый усилитель мощности 15, коммутатор 16, эталонную емкость С₀ и емкость обратной связи С₁, выводы которой подсоединены соответственно к входу и выходу усилителя 11, выводы эталонной емкости С₀ подсоединены к выходу второго усилителя мощности 10 и входу усилителя 11, выход которого соединен с входами первого и второго фазовых детекторов 5, 6, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго интеграторов 12, 13, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго модуляторов 7, 8, выходы которых соединены соответственно с входами первого и второго усилителей мощности 15, 10, выход первого усилителя мощности 15 соединен с первым входом коммутатора 16, второй вход которого соединен с входом усилителя 11 и выходом блока эталонных сопротивлений 9, вход которого соединен с выходом модулятора 4 опорного напряжения, вход которого соединен с управляющим входом второго модулятора 8 и пятым выходом формирователя 3 опорного напряжения, вход которого соединен с выходом задающего генератора частоты 2, вход

которого соединен с выходом источника напряжения 1, первый, второй, третий, четвертый и шестой выходы формирователя опорного напряжения 3 соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами второго фазового детектора 6, с первым и вторым управляющими входами первого фазового детектора 5 и управляющим входом первого модулятора 7, третий вход коммутатора 16 соединен с земляной шиной, а первый, второй и третий выходы коммутатора 16 являются первым, вторым и третьим выходами устройства, вход индикатора 14 соединен с выходом первого интегратора 12.

Задающий генератор частоты 2 выполнен по схеме мультивибратора, формирователь 3 опорных напряжений составлен из мультивибратора с эмиттерным повторителем, двух счетчиков на IK-триггерах, дешифратора на двухсхемовых схемах совпадения и усилителя мощности. При этом устройство формирует шесть последовательных импульсов, временные и фазовые соотношения которых представлены на диаграмме (фиг. 4). Изменение скважности импульсов f₁, f₂ и введение просечек на f₃, f₄ необходимо для исключения влияния переходных процессов на фронтах Е, U_R^oc, U_c^oc при их сложении на входе усилителя 11.

Модулятор 4 опорного напряжения выполнен по схеме амплитудного модулятора на ОУ серии 140. Напряжение опорной частоты управляет состоянием электронного ключа, включенного на входе усилителя. Модуляторы 7, 8 представляют собой амплитудные модуляторы на ОУ. Фазовые детекторы 5, 6 могут быть выполнены по двухполупериодной схеме детектирования.

Индикатор 14 представляет собой вольтметр постоянного тока МЧ200, шкала которого проградуирована с учетом множителя, указанного на переключателе пределов измерения.

Коммутатор 16 представляет собой галетный переключатель, с помощью которого сопротивления R₁, R₂, R₃ (фиг.2) поочередно подключаются между входом усилителя 11 и выходом усилителя мощности 15. Переключение эталонных сопротивлений, а следовательно пределов измерения, осуществляется электронными ключами, управляемыми от галетного переключателя (коммутатора 16).

В целом предлагаемое устройство представляет собой мостовую схему с уравновешиванием по активной и реактивной составляющим. Эквивалентная схема моста (фиг. 3) включает в себя эталонное сопротивление R₀ и емкость С₀ (устройство 9 и С₀, на фиг. 1); измеряемое сопротивление R_x и емкость С_х; при этом U - напряжение на выходах устройства 10 и 15; С_вх - входная емкость устройства 11; Е_о - опорное напряжение, задаваемое устройством 4; плечо U_R^ос - соответствует блокам 5, 12, 7, 15 на фиг. 1, плечо U_с^ос- соответствует блокам 6, 13, 8, 10 на фиг.1.

Равновесие двухкоординатного моста определяется из схемы, приведенной на фиг.3, следующими соотношениями:

Отсюда U^o_R^c= R_x напряжение, которое формируется детектором 5 и интегратором 12 и индицируется индикатором 14. Напряжение U_с^ос компенсирует емкостной ток С_х. Из приведенной формулы видно, что величина напряжения U_R^oc обратно пропорциональна величине эталонного сопротивления R_о. Таким образом, изменение пределов измерения достигается изменением величины R_о.

Предлагаемое устройство для измерения диэлектрических потерь конденсаторных датчиков работает следующим образом. От задающего генератора частоты 2 импульсы частотой f_о и скважностью 2 поступают на формирователь 3 опорного напряжения, который формирует шесть последовательных импульсов f₁. . . f₆, предназначенных для управления фазовыми детекторами 5, 6 и модуляторами 7 и 8. Опорное напряжение Е формируется модулятором 4 опорного напряжения и подается на набор эталонных сопротивлений 9, переключаемых в зависимости от выбранных пределов с помощью электронных ключей (на фиг. не показаны). Входной сигнал (напряжение рассогласования моста) поступает на усилитель 11 с низким входным импедансом емкостного характера, охваченный глубокой отрицательной обратной связью С₁ для уменьшения влияния неизмеряемой составляющей треугольника сопротивлений (фиг. 2). С усилителя 11 сигнал поступает на фазовые детекторы 5 и 6. Управление первым фазовым детектором 5 контура обратной связи по активной составляющей осуществляется напряжениями f₃ и f₄, фазы которых сдвинуты на 180^оотносительно друг друга.

Управление вторым фазовым детектором 6 контура обратной связи по реактивной составляющей осуществляется импульсами напряжения f₁ и f₂, фазы которых сдвинуты относительно друг друга на 180^о и относительно импульсов напряжения f₃, f₄ на 90^о. На выходе фазовых детекторов 5, 6 формируются сигналы, несущие информацию о степени и знаке разбаланса моста, которые поступают на интеграторы 12, 13 соответственно. С выхода первого интегратора 12 контура обратной связи по активной составляющей сигнал постоянного тока поступает на индикатор 14. Напряжения постоянного тока с интеграторов 12 и 13 поступают на модуляторы 7, 8 соответственно в противофазе и усиливаются по мощности для согласования с нагрузкой. Напряжение U_R^oc подается на контролируемый конденсаторный датчик, напряжение U_R^ос - на эталонную емкость С_о.

Для выполнения условия равновесия измерительного моста необходимо, чтобы напряжения U_C^oc и Е были в противофазе напряжению U_R^oc. Коммутатор осуществляет выбор рода работы: измерение сопротивления изоляции датчика, измерение сопротивления изоляции между обкладками датчика и землей. К коммутатору 16 подключают объект контроля, например датчик, эквивалентная схема которого представлена на фиг.2.

Повышение точности измерения достигается следующим образом.

Измерение на переменном токе обеспечивает объективный контроль диэлектрических потерь, так как позволяет учитывать потери, обусловленные не только током сквозной проводимости, но и диэлектрическими потерями поляризации; кроме того, обеспечивается измерение конденсаторного датчика по трехполюсной схеме включения с возможностью раздельного измерения сопротивлений, соединенных в треугольник, независимо от величины емкости конденсаторного датчика.

Подключение измеряемого датчика происходит следующим образом (см.фиг.1 и 2). Измеряемое сопротивление подключают ко входу усилителя 11 и выходу усилителя мощности 15 при одновременном заземлении неизмеряемых сопротивлений:

при измерении R₁ заземляются R₂, R₃,

при измерении R₂ заземляются R₃, R₁,

при измерении R₃ заземляются R₁, R₂.

Таким образом, при сравнении с прототипом предлагаемое устройство для измерения диэлектрических потерь конденсаторных датчиков значительно повышает точность измерений.