Спосіб вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні та пристрій для його здійснення

Реферат: Спосіб вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні та пристрій для його здійснення належать до вимірювальної техніки. За способом вимірювану індуктивність включають в резонансний LC-контур, а шукане відхилення вимірюваної індуктивності від її середнього значення перетворюють в зсув фаз між двома гармонічними коливаннями. Резонансний LC-контур включають в пасивне вимірювальне коло, на вхід якого подають змінну напругу від зовнішнього генератора гармонічних коливань. Зсув фаз вимірюють між вхідним та вихідним сигналами цього кола, причому як його вихідний сигнал використовують струм, що протікає через вимірювану індуктивність. А для визначення коефіцієнта перетворення послідовно з зазначеною вимірюваною індуктивністю включають малу зразкову індуктивність. Пристрій для здійснення способу містить пасивний вибірковий RLC-фільтр з перетворювачем струму в напругу, вимірюваною індуктивністю, зразковою індуктивністю, перемикачем та LCконтуром, а також генератор гармонічних коливань та фазовий детектор. Спосіб та пристрій забезпечують підвищення чутливості вимірювання при значному спрощенні вимірювальної схеми. UA 100267 C2 (12) UA 100267 C2 UA 100267 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вимірювальної техніки та може бути використаний для вимірювання реактивностей, зокрема, індуктивності, та їх малих відхилень від середнього значення, в тому числі у випадках, коли допустима величина змінного магнітного поля, яке створюється об'єктом вимірювання, суттєво обмежена та не можливо використовувати балансну (мостову) вимірювальну схему, наприклад, при локальному вимірюванні диференційної магнітної сприйнятливості феромагнітних та надпровідних матеріалів. Відомі способи виміру малих змін індуктивності, які засновані на використанні явища резонансу. В таких способах використовують вимірювальні схеми, в яких вимірювана індуктивність входить до складу коливального контуру, резонансна частота якого змінюється при змінах вимірюваної індуктивності. Зокрема, відомим є автогенераторний спосіб виміру малих змін індуктивності [1]. Цей спосіб полягає в тому, що вимірювану індуктивність включають до контуру генератору незатухаючих коливань. Зміна індуктивності призводить до зміщення частоти коливань, що генеруються. Результуюче зміщення частоти перетворюють в сталу напругу або цифровий код за допомогою відповідної схеми. В даному способі амплітуда коливань, що надходять до перетворювача частота-напруга або частота-код, завжди наближена до свого максимального значення, що підвищує точність вимірів. Взагалі способи виміру частоти та часових інтервалів мають кращу перешкодозахищеність порівняно з амплітудними вимірами. Автогенераторний спосіб має суттєвий недолік, який полягає в тому, що амплітуда змінного струму у вимірюваній індуктивності повинна бути достатньою для стійкої генерації, а добротність контуру, до якого включена вимірювана індуктивність, повинна бути достатньо високою. В свою чергу активний опір вимірюваної індуктивності повинен бути малим. В результаті амплітуда змінного поля, яке створює вимірювана індуктивність, може стати більшою за допустиму за умовами експерименту. Також в даному способі амплітуду струму важко контролювати і регулювати, оскільки це потребує втручання в схему позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ) генератору, що, в свою чергу, може призвести до зриву генерації. Крім того, при зниженні добротності контуру автогенератору та послабленні ПЗЗ в ньому може стати нестійкою генерація та виникнути фазові дрижання, які обмежать чутливість до малих змін індуктивності. Суттєва похибка виміру малих відхилень індуктивності також може виникнути за рахунок зрушення частоти коливань автогенератору, який залежить від інших компонентів схеми, температури навколишнього середовища та флуктуацій напруги живлення. При використанні перетворювача частота-напруга для формування вихідного сигналу в зазначеному способі існує проблема забезпечення достатньо широкої лінійної ділянки характеристики перетворення та усунення дрейфу нуля вихідного сигналу при визначенні особливо малих змін індуктивності. Підвищення чутливості автогенераторного способу та зниження погрішності при вимірі малих відхилень індуктивності можливо при перетворенні зміни частоти резонансного контуру, в який включена вимірювана індуктивність, в зсув фази між двома гармонічними коливаннями. Як прототип вибрано спосіб виміру малих відхилень індуктивності, який засновано на використанні так званого фазогенераторного перетворювача, відомий з [2]. В цьому способі використовують два зв'язаних автогенератора, в коливальний контур одного з яких включають вимірювану індуктивність. Обидва генератори дають гармонічні коливання однакової частоти за рахунок взаємного захвату, однак між цими коливаннями встановлюється зсув фаз, який залежить від взаємної розстройки контурів цих генераторів і, отже, зміни виміряної індуктивності. Як результат виміру використовують цей зсув фаз, перетворений в сталу напругу або цифровий код. Даний спосіб має той же недолік, що і автогенераторний. Величина струму у вимірюваній індуктивності повинна бути достатньо великою, щоб забезпечити необхідну стабільність частоти генерації. Таким чином, неможливо одночасно отримати високу чутливість до малих змін індуктивності та малу амплітуду струму збудження. Як прототип пристрою для здійснення виміру малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні вибрано схему для виміру малих змін індуктивності, що є складовою частиною підсилювача постійного струму за [3]. Схема для виміру малих змін індуктивності містить два однакових генератори незатухаючих коливань, що з'єднані між собою, та балансну схему, входи якої з'єднані з виходами зазначених генераторів. Індуктивність що вимірюється є складовою частиною LC-контуру одного з зазначених генераторів. Схема для виміру малих змін індуктивності працює таким чином. Зв'язані генератори генерують незатухаючі коливання однакової частоти за рахунок взаємного захвату. Якщо виникає взаємна розстройка LC-контурів генераторів, між коливаннями, що вони генерують, 1 UA 100267 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 утворюється фазовий зсув. Балансна схема виконує функцію фазового детектору, тобто перетворює зазначений фазовий зсув у постійний струм. Недоліком даної схеми є використання вимірюваної індуктивності у схемі автогенератору, що призводить до таких самих небажаних наслідків, які стосуються також і вибраного прототипу способу для виміру малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні. В основу винаходу поставлено задачу створення способу вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні та пристрою для його здійснення, в якому досягається висока чутливість при значному спрощенні вимірювальної схеми, її калібрування, процедури виміру та відносно широкій лінійній ділянці характеристики перетворення. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні та пристрої для його здійснення вимірювану індуктивність включають в резонансний LC-контур, а шукане відхилення вимірюваної індуктивності від її середнього значення перетворюють в зсув фаз між двома гармонічними коливаннями, згідно винаходу, резонансний LC-контур, до складу якого входить вимірювана індуктивність, включають в пасивне вимірювальне коло, на вхід якого подають змінну напругу від зовнішнього високостабільного генератора гармонічних коливань, зсув фаз вимірюють між вхідним та вихідним сигналами пасивного вимірювального кола, причому в як його вихідний сигнал використовують струм, що протікає через вимірювану індуктивність, а для визначення коефіцієнту перетворення, що пов'язує вимірюваний зсув фаз між вхідним та вихідним сигналами вимірювального кола з шуканою зміною вимірюваної індуктивності, послідовно з нею тимчасово включають малу зразкову індуктивність. Пристрій для вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні містить резонансний LC-контур, куди входить вимірювана індуктивність, який включається в схему пасивного вибіркового RLC-фільтра, з'єднаного із зовнішнім високостабільним генератором гармонічних коливань, фазовий детектор, входи якого з'єднані з входом та виходом вибіркового RLC-фільтра, виходом якого є включений послідовно з виміряною індуктивністю перетворювач струму в напругу, реалізований, наприклад, у вигляді трансформатору струму, послідовно з виміряною індуктивністю включена щонайменше одна зразкова індуктивність, паралельно якій включено нормально-замкнений перемикач. Загальними признаками рішення, що заявляється, та названих прототипів є використання резонансного LC-контуру, до якого включають вимірювану індуктивність, та визначення шуканої величини (індуктивності) по амплітудно-незалежному параметру (зсув фаз). Спосіб вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні реалізується наступним чином. Змінну напругу від високостабільного генератора незатухаючих коливань подають на вибірковий RLC-фільтр, який утворюється послідовно з'єднаними резистором зв'язку та паралельним LC-контуром. Вихідним сигналом цього фільтру є струм, що протікає через вимірювану індуктивність і визначається за допомогою трансформатору струму, первинна обмотка якого включена послідовно з вимірюваною індуктивністю, а вторинна навантажена на контрольний резистор. Падіння напруги на цьому резисторі, яке є пропорційним струму, що протікає через вимірювану індуктивність, визначається за допомогою мілівольтметру. Одночасно змінні напруги з виходу генератору та з контрольного резистору через відповідні підсилювачі подаються на входи фазового детектору, вихідний сигнал якого є пропорційним зсуву фаз між зазначеними напругами. Характеристики перетворення індуктивність-фаза формуються наступним чином. На фіг. 1 (а) показана еквівалентна схема вибіркового RLC-фільтра. Резистор r являє собою еквівалентний опір втрат в контурі, пов'язаних з кінцевим опором провідників, контактів та самої вимірюваної індуктивності;  визначається сумою опору резистору зв'язку та внутрішнього опору генератору; R є опором, що шунтує вимірювану індуктивність L, яким враховуються втрати, обумовлені наявністю у вимірюваної індуктивності сердечнику S (втрати на перемагнічування, вихрові струми тощо). Амплітудно-частотна (АЧХ) та фазо-частотна (ФЧХ) характеристики такого вибіркового фільтру визначаються відповідно як: Rr 2  2fLR  r 2 2f 4 LC R  r 2  2f 2 LR  r   2  2 LCR 2  CRr  2  R r   2 , (1)  180 LR 2   2fLR  r 2 C  C Rr 2      f   arctg 2f  2 2  2fL R  r R  r     R r r     , (2)    u f   u0  55 2 UA 100267 C2 5 де u0 та f - відповідно амплітуда та частота напруги збудження фільтру, u - амплітуда напруги на коливальному контурі, а  - зсув її фази по відношенню до фази напруги збудження. На фіг. 1 (b) та фіг. 1 (с) відповідно показані залежності u(f) та (f), розраховані для зазначених номіналів u0, L, C, R, r, . При зміні величини будь-якого з елементів фільтру резонансна частота контуру зміщується і, відповідно, зсуваються по осі частот АЧХ та ФЧХ. На фіг. 1 (b) та фіг. 1 (с) демонструється вплив L. Точний вираз, який пов'язує L і  на фіксованій частоті f, має вигляд: L   10 R  1 R  2 Rr R 2  4 r R  r 2fC R  r   R  r   tg  2fCr  r   tg   2f 2 C R  r   2f R  r   tg   . (3) В зв'язку зі складністю користуватися цим виразом для інтерпретації вихідного сигналу незручно. Простий зв'язок між L та  можна встановити наступним чином. Хоча ФЧХ (2) в цілому нелінійна, але, як видно з фіг. 1 (с), її середню ділянку можна апроксимувати відрізком прямої вигляду: 15  f   af f  bf . (4) Кутовий коефіцієнт цієї прямої можна легко розрахувати по різниці вихідного сигналу фазового детектору на двох частотах, а саме: af f  20 25 30 35 40 45 50 55 2  1 f2  f1 , (5) Проте для практичної реалізації заявленого способу найбільш зручним є пряме калібрування функції перетворення L() за допомогою додаткової відомої індуктивності, яку тимчасово включають послідовно з вимірюваною індуктивністю (на фіг. 1 (а) не показана). На фіг. 2 зображена функціональна схема пристрою, який реалізує заявлений спосіб вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні. Схема пристрою містить високостабільний генератор гармонічних коливань 1, резистор зв'язку 2, вимірювану індуктивність 3, додаткову зразкова індуктивність 4, що підключається за допомогою нормально-замкненого перемикача 5, трансформатор струму 6, ємність 7, контрольний резистор 8, мілівольтметр 9, підсилювачі 10 та 11, фазовий детектор 12. Як фазовий детектор 12 може бути використаний, наприклад, перетворювач фаза-напруга. Пристрій для виміру малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні працює таким чином. Незатухаючі коливання з виходу генератора 1 подаються до входу вибіркового RLCфільтра, що складається з резистора зв'язку 2 та паралельного коливального LC-контуру, утвореного елементами 3, 4 (5), 6, 7. Вихідним сигналом цього фільтра є струм, що протікає крізь вимірювану індуктивність 3. Завдяки трансформатору струму 6 та зразковому резистору 8 цей струм перетворюється у змінну напругу, що подається до входу підсилювача 11, а з його виходу до одного з входів фазового детектора 12. Другий вхід детектора 12 отримує змінну напругу напряму від генератора 1. Передаточні функції підсилювачів 10 та 11 ідентичні, завдяки чому не виникає додаткового зсуву фаз сигналів, які подаються на входи фазового детектора 12. Вихідний сигнал фазового детектора 12 уявляє собою сталу напругу, що лінійно залежить від фазового зсуву вибіркового фільтра. Вона дорівнює нулю якщо частота коливань генератора 1 співпадає з резонансною частотою LC-контуру. При зміні вимірюваної індуктивності 3 резонансна частота також змінюється відносно частоти генератора 1, що призводить до появлення ненульового сигналу на виході фазового детектора 12. Точна залежність шуканої зміни вимірюваної індуктивності 3 від зазначеного фазового зсуву дається (3). Для практичної потреби робочу дільницю цієї функціональної залежності апроксимують відрізком прямої. Приклад експериментально визначеної та апроксимованої відрізком прямої (за методом найменших квадратів) лінійної ділянки характеристики перетворення L(V) (L - зміна індуктивності, V - вихідна напруга фазового детектора) показано на фіг. 3. Для практичного визначення коефіцієнту пропорційності у цієї лінійної апроксимації при вимірюваннях послідовно з вимірюваною індуктивністю 3 тимчасово вмикають зразкову індуктивність 4 за допомогою перемикача 5 та спостерігають за зміною вихідного сигналу фазового детектора 12. При вимірюваннях амплітуда струму збудження індуктивності 3 контролюється мілівольтметром 9. Джерела інформації, що були прийняті до уваги при складанні заявки: 1. Арш Э.И. Автогенераторные измерения. – Москва: Энергия, 1916. 3 UA 100267 C2 2. Полулях К.С. К теории фазогенераторного преобразователя / К.С. Полулях // Измерительная техника. - 1970. - № 1. - С. 54-59. (прототип). 3. Полулях К.С. Усилитель постоянного тока / К.С. Полулях // Авторское свидетельство СССР № 182194. - Опубл. БИ 1966. - № 11, (прототип). 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 1. Спосіб вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні, за яким вимірювану індуктивність включають в резонансний LC-контур, а шукане відхилення вимірюваної індуктивності від її середнього значення перетворюють в зсув фаз між двома гармонічними коливаннями, який відрізняється тим, що резонансний LC-контур, до складу якого входить вимірювана індуктивність, включають в пасивне вимірювальне коло, на вхід якого подають змінну напругу від зовнішнього високостабільного генератора гармонічних коливань, зсув фаз вимірюють між вхідним та вихідним сигналами пасивного вимірювального кола, причому як його вихідний сигнал використовують струм, що протікає через вимірювану індуктивність, а для визначення коефіцієнта перетворення, що зв'язує вимірюваний зсув фаз між вхідним та вихідним сигналами пасивного вимірювального кола з шуканою зміною вимірюваної індуктивності, послідовно з зазначеною вимірюваною індуктивністю включають малу зразкову індуктивність. 2. Пристрій для вимірювання малих змін індуктивності при слабкострумовому збудженні, що містить резонансний LC-контур, до складу якого входить вимірювана індуктивність, та фазовий детектор, який відрізняється тим, що резонансний LC-контур входить до складу пасивного вибіркового RLC-фільтра, з'єднаного із зовнішнім високостабільним генератором гармонічних коливань, а входи фазового детектора з'єднані з входом та виходом пасивного вибіркового RLC-фільтра, причому виходом пасивного вибіркового RLC-фільтра є включений послідовно з вимірюваною індуктивністю перетворювач струму в напругу, такий як трансформатор струму, а послідовно з вимірюваною індуктивністю включена щонайменше одна зразкова індуктивність, паралельно з якою включений нормально-замкнений перемикач. 4 UA 100267 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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 5