Устройство для измерения напряжения

Союз СоветскикСоциалистическиеРеспублик ОП ИСАЙ ИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 792150ао делан нзабретеннй н открытнй(72) Авторы изобретения А. А. Блистанов, В. С. Петраков, Н, ГСорокин и С. И. Чижиков Московский ордена Трудового Красного Знамени институт стали и сплавов(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИ ся ие относи техники и Настоящее и области измерит быть испольэова рических напряж ленных и научнь ходимо в широк точно высокой т рения величины ния. эобрете ельной но для ений в х уста ом диап очность электр можетэлектпромышнеоб измерения различных новках, где аэоне и с д ю проводить ческого на стаизмеяжеы. Известно устройство для измерениято напряжения, содержащее преобразователь измеряемого напряжения в деформацию в виде биморфной пьезоэлектрической диафрагмы с жестким центром, дифференциальный струнный преобразователь механического напряжения в частоту электрического сигнала и схему регистрации, причем концы дифференциального струнного преобразователя прикреплены к жесткому центру пьезоэлектрической диафрагмы с обеих сторон13.Недостатками этого устройства являются: сложность сборки дифференциального датчика, температурная нестабильность,приводящая к дрейфу нуля, обусловленная разнородностью материалов, используемых в конструкции датчика, нелинейность шкалы при измерении высокого напряжения, связанная с нелинейной зависимостью возникающей деформации от прикладываемого измеряемого напряжения.Известно также устройство для измерения напряжения, которое используется в способе преобразования действующего напряжения в частоту, состоящее иэ генератора, стабилизированного кварйевьтм резонатором т -среза и расположенного внутри подогревателя, к клеммам которого подключено измеряемое напряжение (2 ).Недостатками этого устройства являются: малое входное сопротивление ограниченное сопротивлением обмотки нагревателя, незначительный диапазон измеряемых напряжений, а также значительное время выхода на режим индикации напряжения, связанное с инерционностьюНеиболсе бл:1.-:1,. тнием к,паннО 1;:.устрой; т г11 ЕПОс 1 ж Ет-.смент, к электро,.:,.;,.;ИЗИЕряЕмОЕ:,1 с 1,"-":дЕФОрМЕц 11 И и ЗЛЗКТр-,тсэс 1;- (ПЬЕЗОрЕЗОНЯТО ) И уКЕЗЯТЕ.-:= .;-,чз.преобразоВатель дефор 11 етру, я".: яю 1 ц 1 т",:,и ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РЕЗСНаТСЗСМ. ВЫлс НЕННЫМ ИЗ ЛИНЕйН" а КРК 1 СТЕП-,= "-."-,и" в виде удл 1 ненной в непо-елен.пластины АТ - срезсп абкссчг,",2 одами для включения з ".; - ;-.-.,неретора и механически жестко связан.ной с торцами упомянутогс пьезоэле мента, Причем, пьезоэлемент и пьезорэ; зонатор выполнены из одного метериет;е КваРЦа а ТО 1 К 1 Х 1 Е-.с 1 сИ"Ког;динения расположены вдоль оси 3, Я.НЕДОСа 1 ЕМИП тР 1ДГ,.; - сНЕДОСТЯТО 1 НЕЯ ОНОСТ 1 ЗМЕРЕ 1,".с.ЗЯННая С ИСПОГ-, ЗОВЕН 1.;Е., Л-ЧЗ.".;ЧсЗОЭЛЕКТрс 1 ЕСКОГ Кр СТЕг - ,:КОТОр,ГО " - 111 СГ; -сф ИПИЕНТОВ МЕЛЫ Е С -.Е- - .ВЕТЕ:=.;с,и вознике 1 ог; е - зсмксс, -:",1. ;. - .;-ВодЛТ К Ъ"РЛЬ 7 ,.-, .-Ч,с.тс; зектр;д;: -грс,гс 11 еждо. 1:ерь: черезУстрсст:зо содержит пьезорезистор,1 оторый Выполнен из нелинейного пье. - .,;Целью изобретения является повышение точности и получение линейной зависимости Выходного сигнала от измеряемого напряжения,Поставленная цель достигается тем,что в известном устройстве, содержащем пьезорезона тор, снаб женный первой парой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезорезонатора, и подключенных к схеме ге 50нерятора, смеситель и индикатор дополнительно введены генератор и конденсатор, пьезорезонатор снабжен второй пя-.рой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезорезонатора, каж 55дый из электродов второй пары подключенчерез упомянутые конденсаторы к введенному генератору, подключение каждого Одь и 8ггсс зп-,.ц" .",. ьсоединенные между собойе,.зз;зри","0 катушку индуктивности11;1-;,-и-,., -. кле.,:;ме 3 4, на которую Ч.1,сЗ; ;, - С,-;с 1 Е;СЕ 1 тЕИРЯжЕЧ 11 Е ЧЕРЕЗ ; - -, -,1 с 1 сг гд-и "сгВНССТ." . 5,1 ГЗ:; -.;О 1 ценсеторы 6 и."подключенык генератору 4, а противолежащие электроды 7 и 9, через конденсаторы 18 и 19,подключены к генервтору 5 Выходы генераторов 4 и 5 подключены ко входусмесителя 2 О, к выходу которого подключен индикатор 21,Устройство работает следующим образом. До подключения .измеряемогочапряжения она клеммы 1 Х и 14,возбуждающее напряжение с двух одинаковых генераторов 4 и 5, подается насоответствующие электроды 6, 8, 7 и 9,через конденсаторы 16, 17, 18 и 19,При этом на частотевозбуждаетсяОпьезорезонатор. Сигналы с генераторов4 и 5 частоты о поступают на вход смесителя 2 С. При этом, резностный сигнал с выходе смесителя ревен нулю, Измеряемое напряжение, подключенное хгде С и- коэффициенты, являющиеся комбинациями упругих модулей вто 35 рого порядка и унругоэлектрических коэффициентов кристалла. Характер изменения частогы нелинейного пьезорезонатора определяется типом колебания,40 направлением распространения и направлением приложения электрического поля.Выбор направления распространения и типа колебаний, а также направления приложения электрического напряжения,l45 позволяет определить срез кристалла и изготови 1 ь,пьезорезонетор, который обладает максимально-линейной зависимостью изменения частоты от величиныизмеряемого напряжения, т.е. для которого величина коэффициентамногобольше коициента Р . Такой срезможет обладать некоторым температурным коэффициентом частоты, Поэтому,повышение термостабильносги в денномустройстве достигается конструктивнымвыполнением резонаторе, а именно,применением не одном кристаллическомсрезе двух лез электродов 6, 7, 8 и 9,50 клеммам 1 1 и 1.4, поступает через катушки индуктивности 12, 15, 10 и 13 к некрестлежешим электродам 6 и 9, 7 и 9. Индуктивность катушек 10, 13, 12 и 15 выбирается таким образом чтобы источник измеряемого напряжения при подключении не влиял на . частоту колебаний генератороь 4 и 5, Емкость с конденсаторов 16, 17, 18 и 19 выбирается из условия С 7 Ср. Где Ср-. электри 0 ческая е." кость льезорезонетора. Рабочеенапряжение конденсаторов должно соответстоать еличине верхнего предела шкалы измерений. Измерительное нанряжение создает в объеме пьезорезонето 15 ра 1., выполненного из нелинейногопьезоэлектр; - .ческого;, кристалла, электрическое лоле, которое зе счет упруго- электрического эффекте, заключающегося в изменении упругости кристалла от величины напряженности электрического поля, приводит к изменению частоты колебаний резонатора, Нелинейные пьезоэлектрические кристаллы характеризуются большим изменением частотной постоянной среза кристалла от величины электрического поля, Относительное изменение частотыЬЦ пьезорезонатора из нелинейного пьезокристалла, от величины напряжености электрического поля Е, описывается ыреженчем: включенных в схемы двух одинаковых генераторов.Перекрестное включение электродов6 и 9 и 7 -8 к измеряемому напряжению приводит к тому, что, например,сигнал с генератора 4 будет иметь частоту 1, + дх, е сигнал с генератора 5:- Ь. 1, Сигналы с генераторов 4и 5 поступают на вход смесителя 20,в котором выделяется разностный сигналчастотой 2 Ь . Этот сигнал регистрируется индикатором 21, шкала которогопроградуирована в вольтах,Предлагаемое устройство при изготовлении пьезорвзонаторов из монокристаллов ниобата и твнтвлата лития с размерами 10 х 5 х 2 мм и выполненииэлектродов 6, 7, 8 и 9, площадью16 мм каждый путем нанесения на про 2тивоположные пвраллеЯьные грани 2 и 3с помощью вакуумного напыления серебра, а также при ориентации нормали кграням вдоль оси У или 7. кристалла иориентации длины пластины пьезорезонаторов вдоль направления оси Х имелоточность измерения напряжения 0,02%.Поскольку, диапазон измерений определяется геометрией пьезорезонатора и напряжением пробоя, то используя для этого пластины большей толщины и увеличивая расстояние между электродами на поверхности, можно расширить диапазон измерений до + 10 кв.Использование данного устройства для измерения напряжения по сравнению с существующими устройствами обеспечивает следующие преимущества: линейность шка- лы в широком диапазоне измеряемых напряжений, что достигается выбором типа колебаний пьезорезонагорв, направлением распространения колебаний и направлением приложения электрического напряжения;большое входное сопротивление и мелая входнея емкость, необходимые для подключения устройства к неизвестным измеряемым источникам напряжения без изменения выходных характеристик. Так, в случае использования в устройстве резонатора из ниобата лития, входное сопротивление составило 2 х 10 Ом, а входная емкость 6 пф. В случае использования твнталата лития, входное сопротивление составило 5 х 10 фОм, входная емкость 4 пф; повышение точности и термостабильности устройства достигается путем использования на одной пластине пьезорезонатора двух пер электрода, включенных в схему двух одинаковых генераторов и792150 з 10143/43 Тираж 10 ИИ дписн ПП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 перекрестно включенных между собой дляподключения к источнику; расширение диапазона измерений путем выбора соответствующео размера пьезорезонатора и расстояния между электродами; упрощениетехнологии изготовления чувствительногоэлементк по сравнению с прототипом,формула изобретения 10 Ь Устройство для измерения напряжения, содержащее пьезорезонктор, снабженный первой парой электродов, рксположенных на противоположных гранях 1% пьезорезонатора и подключенных к схеме генератора, смеситель и индикатор, о тл и ч к ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и получения линейной зквисимости выходного сигнала от ур измеряемого напряжения, дополнительно введены генератор и конденскторы, пье зорезонктор снабжен второй парой электродов, расположенных на противоположных гранях пьезорезонатора, каждый из электродов второй пары подключен через упомянутыекондескторы к введенному генератору, подключение каждого из электродов первой пары к генератору также выполнено через конденсаторы, к каждые два нккрестлежвщих электрода обеих пар через первые катушки индуктивности соединены между собой, причем измеряемое напряжение подключено к одному из электродов каждой пары через вторые катушки индуктивности.2. Устройство по п. Ъ) о т л и ч к ю щ е е с я тем, что;резонатор выполнен из нелинейного пьезокристалла, например, монокристаллк ниобкта лития. Источники ииформкции,принятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР