Пристрій для вимірювання параметрів високоомних об`єктів

Корисна модель відноситься до вимірювальної техніки і може бути використана для одночасного вимірювання опору і температури високоомних об’єктів за рівнем теплових шумів самого об’єкту. При вимірюванні опорів високоомних об’єктів, таких як ізоляція електроустановок, поверхневі та об’ємні опори діелектричних і напівпровідникових матеріалів, високоомних резисторів та інших високоомних виробів, що працюють в широкому температурному діапазоні, виникає задача вимірювання як опору контролюємого об’єкту, так і його температури для врахування температурного коефіцієнта опору (ТКО). Використання додаткового каналу вимірювання температури не завжди можливо, а інколи технічно недоцільно через екстремальні умови експлуатації. В той же час тепловий шум самого об’єкта містить інформацію як про опір об’єкта, так і його температуру. Відомий пристрій для вимірювання параметрів високоомних об’єктів [див. Патент України №14264, МПК G01R27/00, 2006р., - Бюл. №5], що містить диференціальний підсилювач, смуговий фільтр, підсилювач високої частоти, квадратичний детектор, фільтр нижніх частот і вольтметр. Однак температурна і часова нестабільність параметрів електронних перетворювачів, що входять в вимірювальну схему, не дозволяє отримати точне значення опору за дисперсією теплового шуму. Крім того рівень теплового шуму в однаковій мірі залежить як від опору так і від температури об’єкта. Тому при вимірюваннях опору в умовах коли змінюється температура виникають великі похибки. Відомий також пристрій для вимірювання параметрів високоомних об’єктів [див. Патент України №24640, МПК G01R27/00, 2007р., - Бюл. №10], що містить дві вхідні клеми, з’єднані з низькоомним магазином резисторів через два послідовно з’єднаних низькоомних резистори, автоматичний ключ, розташований паралельно низькоомним резисторам, підсилювач високої частоти, смуговий фільтр, інтегратор, до виходу якого підключені послідовно з’єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і індикатор, генератор низької частоти, вихід якого з’єднаний з керуючим входом синхронного детектора і керуючим входом автоматичного перемикача. Крім того, відомий пристрій містить диференціальний підсилювач і квадратичний детектор, які включені в тракт перетворення шумової напруги. Опір об’єкта визначається відношенням опорів постійних резисторів, що входять в вимірювальну схему, і опором магазина резисторів, значення якого встановлюється за нульовим показом індикатора, що входить в пристрій. При цьому на результат вимірювання опору не впливає часова і температурна нестабільність параметрів тракта перетворення шумової напруги в постійну напругу. Результат вимірювання опору високоомного об’єкта при нульовому показі індикатора не залежить від рівня теплових шумів об’єкта, а значить, і від температури об’єкта. Але в відомій схемі з придушенням впливу температури на опір, що вимірюється втрачена інформація про значення самої температури. Тому оцінити вплив зміни температури об’єкта на його опір не є можливим. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий пристрій для вимірювання параметрів високоомних об’єктів в якому шляхом введення нових елементів і зв’язків забезпечувалось би підвищення точності вимірювання опору та додаткове вимірювання температури самого об’єкта за його тепловим шумом, що розширило б функціональні можливості пристрою і забезпечило б одночасність вимірювання опору і температури однією і тією ж електронною схемою. Поставлена задача досягається тим, що в пристрій для вимірювання параметрів високоомних об’єктів, що містить дві вхідні клеми, з’єднані з низькоомним магазином резисторів через два послідовно з’єднаних низькоомних резистори, автоматичний ключ, розташований паралельно низькоомним резисторам, підсилювач високої частоти, смуговий фільтр, інтегратор, до виходу якого підключені послідовно з’єднані вибірковий підсилювач низької частоти, синхронний детектор, фільтр нижніх частот і індикатор, генератор низької частоти, вихід якого з’єднаний з керуючим входом синхронного детектора і керуючим входом автоматичного перемикача, згідно з корисною моделлю, в пристрій введені цифровий мілівольтметр, балансний змішувач і додатковий підсилювач високої частоти, вхід якого разом з входом підсилювача високої частоти з’єднаний з середньою точкою з’єднання двох низькоомних резисторів, вихід підсилювача високої частоти з’єднаний з одним із входів балансного змішувача, другий вхід якого через смуговий фільтр з’єднаний з виходом додаткового підсилювача високої частоти, а вихід з’єднаний зі входом інтегратора, до виходу якого безпосередньо підключений цифровий мілівольтметр. Саме додаткове введення в схему пристрою цифрового мілівольтметра, балансного змішувача і додаткового підсилювача високої частоти, включених вказаним способом, забезпечило подавлення впливу власних шумів двох незалежних підсилювачів, шуми яких перемножуються в балансному змішувачі і усереднюються інтегратором, на результат перетворення шумової напруги в постійну напругу. Це дало можливість забезпечити пропорційну залежність між постійною складовою пакетної напруги, яка формується інтегратором і вимірюється цифровим мілівольтметром, та шумовою напругою досліджуваного об’єкта. Використовуючи інформацію про опір об’єкта, який визначають по зникненню змінної складової пакетної напруги, обчислюють температуру високоомного об’єкта з урахуванням показів мілівольтметра і магазину опорів, що розширює функціональні можливості вимірювального пристрою і забезпечує отримання додаткової інформації про значення температури високоомного об’єкта. На рисунку представлена функціональна схема пристрою для вимірювання параметрів високоомних об’єктів. Пристрій містить вхідні клеми 1 и 2. Клема 2 через послідовно з’єднані низькоомні резистори 3 і 4 з’єднана з низькоомним магазином резисторів 5, який заземлено. Низькоомні резистори 3 і 4 періодично шунтуються автоматичним ключем 6. Середня точка з’єднання низькоомних резисторів 3 і 4 з’єднана зі входами підсилювачів 7 і 8 високої частоти. Вихід додаткового підсилювача 8 високої частоти через смуговий фільтр 9 з’єднаний з одним входом балансного змішувача 10, другий вхід якого з’єднаний з виходом підсилювача 7 високої частоти. Вихід балансного змішувача 10 через інтегратор 11 з’єднаний з цифровим мілівольтметром 12. До виходу інтегратора 11 також підключений вибірковий підсилювач 13 низької частоти, вихід якого з’єднаний зі входом синхронного детектора 14, керуючий вхід якого з’єднаний з виходом генератора 15 низької частоти. До виходу синхронного детектора 14 через фільтр 16 нижніх частот підключений індикатор 17. До виходу генератора 15 низької частоти підключений також керуючий вхід автоматичного ключа 6. Позицією 18 позначений досліджуваний високоомний об’єкт, який підключається до клем 1 і 2 вимірювального пристрою. Пристрій працює наступним чином. У високоомному об’єкті 18 з опором RX і температурою ТХ генерується тепловий шум, дисперсія якого визначається формулою Найквіста: 2 U1 = 4kT XD fR X , (1) де k - постійна Больцмана; Df - смуга частот, в якій виділяється тепловий шум. Середнє квадратичне значення шумової напруги в смузі частот Df згідно (1) визначається добутком температури і опору: U2 = 4kDfTXR X . (2) Під дією напруги (2) в ланцюгу із низькоомних резисторів 3, 4 і низькоомного магазину резисторів 5 протікає шумовий струм, середнє квадратичне значення якого залежить від сумарного опору ланцюга: i1 = U2 R1 + R2 + R 3 + R 4 , (3) де R1=RX; R2 і R3 - опори відповідно низькоомних резисторів 3 і 4; R4 - опір низькоомного магазину резисторів 5. При розімкнутому положенні автоматичного ключа 6 на входи підсилювачів 7 і 8 високої частоти діє падіння напруги від шумового струму (3) на низькоомних резисторах 4 і 5: R3 + R4 U3 = U2 R1 + R2 + R3 + R 4 . (4) При замкнутому положенні автоматичного ключа 6, коли низькоомні резистори 3 і 4 зашунтовані, шумовий струм зростає до значення: i2 = U2 R1 + R4 (5) Відповідно цьому значенню струму падіння напруги, поступаючої на входи підсилювачів 7 і 8 високої частоти, стає рівним: R4 U4 = U2 . (6) R1 + R4 Одночасно з напругами (4) і (6) на входи вказаних підсилювачів діють теплові шуми низькоомних резисторів 3, 4 і низькоомного магазину резисторів 5. Але так як вимірювальний ланцюг складається із низькоомних резисторів, то впливом їх теплових шумів можливо знехтувати. В той же час рівень власних шумів підсилювачів 7 і 8 високої частоти як активних елементів співрозмірний з шумами досліджуваного високоомного об’єкта. Тому підсилені шумові напруги будуть мати вигляд: U5 = k 1 U2 + U2 3 7 , (7) U6 = k 1 U2 + U2 4 8 , (8) де k1=k2 - коефіцієнти підсилення підсилювачів 7 і 8 високої частоти; U2 7 і U2 8 - дисперсії власних шумів підсилювачів 7 і 8 високої частоти. U В балансному змішувачі 10 змішуються підсилені шумові напруги. Одна із підсилених напруг ( 6 ) фільтрується смуговим фільтром 9 зі смугою пропускання Df Тому результат балансного змішування (перемноження), який потім усереднюється інтегратором 11, визначається тільки когерентними складовими спектрів перемножених шумових напруг в смузі Df При цьому варто врахувати, що власні шуми незалежних UU підсилювачів 7 і 8 високої частоти між собою не корельовані і їх усереднений добуток дорівнює нулю ( 7 8 =0), не корельовані шуми підсилювачів з шумами високоомного об’єкту. Постійну складову дають тільки когерентні складові спектру шумів, породжені одним джерелом, а саме високоомним досліджуваним об’єктом 18. В результаті цього вихідна напруга інтегратора 11 при розімкнутому автоматичному ключі 6: U9 = Sk 1k 2 U2 3 , (9) а при замкнутому: U10 = Sk 1k 2 U 2 4 , (10) де S - крутизна балансного змішувача 10 з врахуванням усереднення в інтеграторі 11. При періодичній роботі автоматичного ключа 6, який керується напругою генератора 15 низької частоти, вихідна напруга інтегратора 11 представляє собою послідовність пакетів усереднених постійних напруг (9) і (10). Якщо ці напруги не рівні, то виникає змінна складова напруги частоти комутації: U9 - U10 sign sin 2 pFt 2 , (11) де F - частота перемикання автоматичного ключа 6; signsin2pFt - прямокутна огинаюча пакетної напруги. Низькочастотна напруга (11) підсилюється вибірковим підсилювачем 13, налаштованим на частоту генератора 15 низької частоти, і випрямляється синхронним детектором 14, який також керується напругою генератора 15 низької частоти. Випрямлена напруга згладжується фільтром 16 нижніх частот і фіксується індикатором 17. Низькоомним магазином резисторів 5 добиваються нульового показання індикатора 17, що означає рівність U11 = Sk1k 2 усереднених напруг U2 3 U9 і U10 ) у виразі (11). Із рівності напруг (9) і (10) витікає рівність дисперсій теплових шумів: = U2 4 . (12) Підставляючи в рівність (12) вирази дисперсій із (4) і (6), отримуємо: R3 + R4 R4 = R1 + R2 + R3 + R 4 R1 + R4 . (13) Вирішивши рівняння (13) відносно опору RX досліджуваного об’єкту, нарешті отримаємо: R R X = R1 = 2 R 4 R3 . (14) При досягненні рівності (12) вимірюємо цифровим мілівольтметром 12 постійну складову пакетної напруги: U9 = U10 = Sk 1k 2 U2 = Sk 1k 2 U 2 3 4 . (15) Якщо підставити в вираз (15) значення æ R4 ö 2 ÷ U10 = Sk1k 2 ç ç R + R ÷U2 4ø è 1 . (16) U2 4 із (6), то отримаємо: U2 Підставляючи значення 2 із (2) і R1 із (14), отримаємо: R 2R 3R4 U10 = 4Skk1k 2 Df TX (R2 + R3 ) 2 . (17) Вирішивши (17) відносно шуканої температури Т X, отримаємо: (R + R 3 ) 2 U10 TX = 2 × R 2R3R 4 m , (18) де m = 4Skk1k2Df - постійний масштабний коефіцієнт. Масштабний коефіцієнт m визначаємо при калібровці пристрою при вимірюванні опорів, нагрітих до відомої температури Т0: m= (R '2 + R'3 )2 U10 × T0 R' R ' R ' 2 ' ' 3 4 , (19) ' R 2R 3 i R 4 де - опори резисторів схеми пристрою при вимірюванні опору нагрітого резистора. Таким чином, за опорами низькоомних резисторів 3, 4 і низькоомного магазину резисторів 5 визначаємо опір RX високоомного об’єкта згідно з формулою (14), а його температуру ТХ - згідно з формулою (18) за показами цифрового мілівольтметра 12 з врахуванням значень тих же опорів низькоомних резисторів 3, 4 і низькоомного магазину резисторів 5. При цьому результат вимірювання опору (14) не залежить від значення дисперсії теплових шумів (1), а значить, і від температури ТХ досліджуваного об’єкту. Результат вимірювання температури об’єкта (18) не залежить від значення його опору RX, який в розрахунковій формулі відображається відомими опорами каліброваних резисторів. Для подавлення впливу низькочастотних шумів доцільно смуговим фільтром виокремлювати високочастотні теплові шуми в діапазоні частот f=0,5-1,0МГц зі смугою пропускання Df=150200кГц. Частоту перемикань автоматичного ключа варто вибрати в низькочастотному діапазоні 25-75Гц. Час усереднення шумових напруг інтегратором повинен бути не менше 0,2-0,5с. При використанні цифрового вольтметра 12 з мікропроцесорним керуванням значення опорів резисторів 3 і 4, встановлене при нульовому показі індикатора 17, значення опору низькоомного магазина резисторів 5 вводяться в пам’ять приладу. Програмою мілівольметра обчислюється результат в відповідності з формулою (18) і масштабним коефіцієнтом m, введеним при калібровці пристрою. Використання запропонованого пристрою в вимірювальній техніці дозволяє: - одночасно вимірювати опір і температуру високоомних об’єктів з високою чутливістю і точністю; - вводити температурні поправки в результат вимірювання складу і властивостей матеріалів, що використовуються в діапазоні високих температур; - визначати функціональну залежність опору досліджуваного об’єкту від температури; - оцінювати стан ізоляції електрообладнання в робочих умовах (під навантаженням) за температурою нагріву і опорам витоків; - в резистивній тензометрії виключити вплив температури на опір напружено-деформованого елемента складних конструкцій і споруд.