Спосіб вимірювання параметрів конденсаторів

Реферат: Спосіб вимірювання ємності конденсаторів включає порівняння напруг в контурах двох автогенераторів, один з яких містить зразкову ємність, інший - вимірювану. Вимірювання ємності здійснюється за допомогою вимірювання різниці фаз сигналів двох коливальних контурів, які збуджуються від одного високостабільного джерела гармонійного сигналу і містять зразкову і вимірювану ємність. При цьому інструментальний контроль різниці фаз здійснюють шляхом подачі через комутуючий пристрій сигналів з обох коливальних контурів на вертикальний вхід осцилографа, на горизонтальний вхід якого подають збуджуючий гармонійний сигнал. UA 96528 U (54) СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ПАРАМЕТРІВ КОНДЕНСАТОРІВ UA 96528 U UA 96528 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана при проектуванні різноманітних радіотехнічних систем і систем управління, у тому числі систем управління високошвидкісних електротранспортних засобів, зокрема, при проектуванні комбінованих буферних накопичувачів енергії, які містять секціоновані акумуляторні і конденсаторні батареї, співвідношення ємностей яких строго регламентовано з міркувань оптимальності (по вазі, за вартістю) [1]. Важливо і те, що параметри конденсаторних батарей визначають рекупераційні характеристики відповідних транспортних засобів. Тому вимірювання ємностей конденсаторів, що входять в конденсаторний блок, є важливою практичною задачею. Розробка різноманітних способів і пристроїв для вимірювання ємностей конденсаторів мала значний практичний інтерес в попередній період, не менше значущий інтерес спостерігається і в даний час. Відомий спосіб і пристрій для вимірювання характеристик конденсаторів, заснований на порівняльному аналізі параметрів (амплітудних, частотних) різних часових інтервалів перехідного процесу, викликаного зовнішньою напругою, що лінійно змінюється в електричному ланцюзі, який містить вимірюваний конденсатор [2]. Проте спосіб реалізується лише за умови, що зовнішня дія строго лінійно змінюється, у зв'язку з чим вказаний спосіб має недостатню точність вимірювання. Відомий спосіб і пристрій для вимірювання ємності, заснований на вимірюваннях резонансного опору коливального контуру, який містить конденсатор, ємність якого слід визначити, і паралельно підключений до нього елемент з гістерезисною S-подібною вольтамперною характеристикою [3]. Проте через неминуче варіювання крутизни характеристики S-подібного елемента по зворотному ходу петлі гістерезису, причому яка змінюється у бік більших струмів при малих значеннях ємностей вимірюваних конденсаторів, точність методу недостатня у ряді вживань при одночасному зниженні діапазону значень вимірюваних ємностей і, відповідно, зниженні функціональних можливостей способу. Найближчим по технічної суті і по результату, який досягається, до корисної моделі (прототипом), що заявляється, є спосіб вимірювання ємностей конденсаторів, заснований на вимірюванні різниці напруг, що розвиваються в двох автогенераторах, побудованих на базі тунельних діодів, як активні елементи, резистори і конденсатори, один з яких є зразковим, другий - вимірюваним, при цьому проградуйований компенсатор вказаної різниці напруг сумісно з індикатором, власне, і визначає величину ємності вимірюваного конденсатора [4]. Проте досягти високої точності вимірювань за даним способом не вдається через неминучий розкид параметрів (власної ємності, нелінійності вольт-амперної характеристики і ін.) тунельних діодів, які визначають їх генераційні характеристики, і в цілому спосіб-прототип прийнятний переважно для вимірювання малих ємностей конденсаторів з великими втратами. Задачею корисної моделі, що заявляється, є підвищення точності вимірювань ємностей конденсаторів з розширеною - як по номінальній ємності, так і по втратах - номенклатурою конденсаторів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювань ємності конденсаторів, який включає порівняння напруг в контурах двох автогенераторів, один з яких містить зразкову ємність, інший - вимірювану, згідно з корисною моделлю, вимірювання ємності здійснюється за допомогою вимірювання різниці фаз сигналів двох коливальних контурів, які збуджуються від одного високостабільного джерела гармонійного сигналу і містять зразкову і вимірювану ємність, при цьому інструментальний контроль різниці фаз здійснюють шляхом подачі через комутуючий пристрій сигналів з обох коливальних контурів на вертикальний вхід осцилографа, на горизонтальний вхід якого подають збуджуючий гармонійний сигнал. В метрології вважається [напр., 5, 6] що фазові (фазометричні) методи вимірювання параметрів сигналів і характеристик складних радіотехнічних систем є найдостовірнішими, що і зумовило метод вимірювання ємності конденсаторів в корисній моделі, яка заявляється. Крім того, фазометричні методи легко адаптуються під автоматичні вимірювання з використанням аналогових ЕОМ, забезпечуючи високу швидкість і надійність вимірювань. На фіг. 1 представлена блок-схема вимірювального пристрою, що реалізовує спосіб, який заявляється, на фіг. 2 - відеозображення, зняте з екрана осцилографа. В першому контурі (фіг. 1) як опора зворотного зв'язку підсилювача 2 використовується вимірюваний конденсатор 8. В другому контурі в зворотний зв'язок відповідного підсилювача 5 включений змінний зразковий конденсатор 10. Крім того, щоб зворотний зв'язок підсилювача 5 мав такий же кут діелектричних втрат, як і конденсатор 8, включений резистор 22 з дільником напруги 27. Значення опору резисторів 11…16 відповідно рівні значенням опору резисторів 17…24. Конденсатори 7 і 9 також ідентичні один одному по величині ємності. За допомогою 1 UA 96528 U дільника напруг 25 і 26 встановлюються коефіцієнти загасання контурів. Величини цих коефіцієнтів вибираються такими, щоб добротності контурів були порядку 30 і більш. Стани контурів можуть бути описані диференціальними рівняннями 5 " ' 2 y1,2  2h1,2 y1,2  1,2 y1,2  f t  n  1 2 , , де y1,2 - напруги на виходах першого і другого контурів; 1,2 - частоти коливань контурів у відсутність загасання: 1  2  h1,2 10 h1  R14 ; R11C7R12C8R13 R21a28R19  R20  ; R17C9R18C19R20 - коефіцієнти загасання контурів: a25 ; R15C7 a26 (в цих виразах не враховані tg конденсаторів 7, 8, 9,10); R23C9 a28, a25, a26 - коефіцієнти передачі дільників напруги 28, 25 і 26. У формулах всі нижні індекси при позначеннях опорів і ємностей ті ж, що і номерні позначення позицій відповідних елементів (резисторів і конденсаторів) на блок-схемі (фіг. 1). Для забезпечення ідентичності контурів І, II по частотних характеристиках, а також для компенсації відмінностей між фазовими зсувами операційних підсилювачів 1-3 і 4-6 проводиться попереднє коректування контурів по ємностях двох прецизійних конденсаторів, які підключаються замість конденсаторів 8 і 10 (ланцюжок резистор 22, дільник напруги 27 при цьому відключається). Використовуючи описані нижче способи порівняння сигналів на виході коливальних контурів, за допомогою ланцюжка дільник напруги 28, резистор 20 можна добитися повного збігу власних частот контурів, а незначним варіюванням коефіцієнта передачі дільника напруги 25 відносно до коефіцієнта передачі дільника напруги 26 - збігу добротностей. Більш точне підстроювання контурів І, II по частоті здійснюється підключенням ланцюжка дільник напруги 28, резистор 20 паралельно або резистора 13 в першому контурі, або резистора 19 в другому контурі. За умови рівності власних частот коливань і добротностей контурів величина ємності конденсатора 8 буде рівна величині ємності конденсатора 10. Вирівнювання частот і добротностей контурів здійснюється шляхом варіювання величини ємності змінного резистора 10 і коефіцієнта передачі дільника напруги 27. Діелектричні втрати у вимірюваному конденсаторі 8 визначаються величиною опору резистора 22 і коефіцієнтом передачі дільника напруги 27. При цьому тангенс кута втрат у вимірюваному конденсаторі 8 можна визначити згідно з формулою a27 , tg8  tg10  C10R22 де 10 - кут діелектричних втрат в еталонному конденсаторі 10; a27 - коефіцієнт передачі дільника напруги 27. Спосіб реалізується таким чином. Обидва контури (фіг. 1) збуджуються гармонійним сигналом f t   A sin t , де  - частота збуджуючого сигналу. Сильна залежність зсуву фаз вихідних сигналів щодо фази обурюючого сигналу, яка і дозволяє найбільш точно проводити вимірювання ємності, спостерігається поблизу резонансу [7], тобто, коли   1 . 1,2 Частота збуджуючого сигналу ɷ береться приблизно рівній резонансній частоті першого контуру. Сигнали yI і yII подаються через комутатор на вертикальний вхід осцилографа, на горизонтальний вхід якого подається сигнал f t  . При цьому на екрані осцилографа спостерігатиметься картинка у вигляді двох еліпсів (фіг. 2). Осі першого еліпса, що належать до першого контуру, відповідно співпадатимуть з вертикальною і горизонтальною осями екрана осцилографа. Осі другого еліпса будуть повернені на кут  залежно від того, перевищує або не перевищує величина ємності вимірюваного конденсатора 8 величину ємності еталонного h2  15 20 25 30 35 40 45 2 UA 96528 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 конденсатора 10. Варіюванням величини ємності еталонного конденсатора 10 можна добитися збігу горизонтальних осей еліпсів, а варіюванням коефіцієнта передачі дільника напруги 27 збігу вертикальних осей, що означає, що зрівняні власні частоти і добротності контурів, тобто C8  C10 . Величина тангенса кута втрат вимірюваного конденсатора обчислюється по вищенаведеній формулі. Розроблений метод визначення ємності конденсаторів електричної енергії має значний потенціал розвитку. Вживання фазометричного методу, що реалізується на резонансних властивостях дискретних і складно організованих електрорадіотехнічних систем, дозволяє значно розширити ареал використання методу, при цьому з метою здешевлення і спрощення технології вимірювань як джерело збуджуючого сигналу при вимірюванні високоємнісних конденсаторів може використовуватися звукова плата комп'ютера. Метод може виявитися ефективним в системах автоматичного управління різними виробниками для роботи з ємнісними перетворювачами, у вимірювальних приладах універсального і спеціального призначення і в системах автоматичного контролю параметрів всього спектра пасивних елементів електричних ланцюгів: ємності, опору і індуктивності. Розроблений метод вимірювання параметрів конденсаторів по ємності ефективний у виробництвах електричних конденсаторів постійної ємності, саме - при виготовленні секційних конденсаторів на етапі комплектування секцій в пакети, а також у всіх тих випадках, коли виникає необхідність комплектування декількох конденсаторів з великої групи відповідно до заданої сумарної ємності і необхідного (допустимого) процентного відхилення від номіналу при проведенні експериментально-настроювальних робіт, наприклад, при термоелектроциклюванні. Метод, що заявляється, ефективний не тільки при вимірюванні параметрів конденсаторів, побудованих за традиційними технологіями (електролітичних і ін.), але і конденсаторів на основі ефекту подвійного зарядженого шару (суперконденсаторів) для електромобілів [8], а також вакуумних конденсаторів, технології яких інтенсивно розвиваються останніми роками [9]. Розроблений метод по суті є експресним і тому корисний в практиці проектування нових радіоелектронних комплексів: тенденції виробників радіоелементів (не тільки конденсаторів, але і резисторів, і індуктивностей) не маркірувати виріб відповідним номіналом створюють певні труднощі для розробників комплексів і вимушують останніх створювати вимірювальні лінії, які або дорогі (для прецизійних вимірювань), або легковажні з великими погрішностями вимірювань. Розроблений метод вирішує вказані проблеми оптимальним чином. Джерела інформації: 1. Патент 17690 RU МПК B60L11/12. Экобус с гибридной тяговой установкой / A.M. Иванов, С.А. Иванов, С.Ю. Шугуров, Б.Э. Павлушков. - Опубл. 20.04.2001. 2. Авт. свид. № 477366 (СССР), МПК G01N27/26. Способ измерения пассивных параметров электрических цепей. - Опубл. 15.07.75. - Бюл. № 26. 3. Авт. свид. № 479057 (СССР), МПК G01N27/26. Способ измерения пассивных параметров электрических цепей. - Опубл. 30.07.75. - Бюл. № 28. 4. Авт. свид. № 474767 (СССР), МПК G01N27/26. Устройство для автоматического измерения емкостей конденсаторов, обладающих значительными диэлектрическими потерями. - Опубл. 25.07.75. - Бюл. № 23. 5. Козлов М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник. - М.: СПб: Изд-во "Петербургский институт печати", 2001. - 372 с. 6. Орнатский ПП. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые). - К.: Вища школа, 1986. - 504 с. 7. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. - М.: Наука, 1981. - 568 с. 8. Электромобили оснастят суперконденсаторами / Интернет-ресурс: Aвтовести: vesticonsulgrant22-03-saytl.mp3(mp31.2Mb) 22 марта 2013. 9. Патент на изобретение 246649 RU, МПК Н03К3/53, H01G4/00. Способ накопления электроэнергии и накопитель электроэнергии конденсаторного типа (НЭКТ) для реализации способа / Р.С. Холошенко, Г.В. Коваленко. - Опубл. 10.11.2012. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Спосіб вимірювання ємності конденсаторів, який включає порівняння напруг в контурах двох автогенераторів, один з яких містить зразкову ємність, інший - вимірювану, який відрізняється тим, що вимірювання ємності здійснюється за допомогою вимірювання різниці фаз сигналів двох коливальних контурів, які збуджуються від одного високостабільного джерела гармонійного сигналу і містять зразкову і вимірювану ємність, при цьому інструментальний контроль різниці фаз здійснюють шляхом подачі через комутуючий пристрій сигналів з обох коливальних 3 UA 96528 U контурів на вертикальний вхід осцилографа, на горизонтальний вхід якого подають збуджуючий гармонійний сигнал. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4