Устройство для измерения высоковольтных импульсов напряжения

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ(73) Патентообладатели Пилипенко Олег Игоревич,Клинов Александр Георгиевич(57) 1. Устройство для измерения высоковольтных импульсов напряжения, содержащее делитель напряжения,включающий высоковольтную и низковольтную части, осциллограф, генератор импульсов, соединительные проводники и кабели, отличающееся тем, что в делитель напряжения дополнительно введены индуктивность и резистивный аттенюатор. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все функциональные элементы делителя напряжения конструктивно расположены вдоль прямой линии.(56) 1. Высоковольтное испытательное оборудование и измерения. Под ред. А.А. Воробьева. - М. - Л. Госэнергоиздат, 1960. 2. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения / 2-е изд.,перераб. и доп. Пер. с нем. - М., 1983 (прототип). Устройство для измерения высоковольтных импульсов напряжения предназначено для измерения и оценки высоковольтных сверхкоротких импульсов напряжения любой формы и относится к области высоковольтной испытательно-измерительной техники. Измерения на высоком напряжении являются одной из труднейших задач. Известно устройство для измерения высоковольтных импульсов напряжения 1, включающее емкостной делитель, осциллограф, соединительные проводники и кабели. Данное устройство не обеспечивает достаточную точность измерений из-за наличия низкочастотных и высокочастотных составляющих резонансных колебаний системы, что искажает импульс на выходе делителя и не обеспечивает неискаженную (необходимую) импульсную передаточную характеристику(функцию). Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения высоковольтных импульсов напряжения 2, состоящее из делителя напряжения, осциллографа и генератора прямоугольных импульсов, или генератора импульсов напряжения, соединительных проводников и кабелей. Каждый элемент измерительной системы обладает собственной резонансной частотой колебаний, носящих паразитный характер, накладывающихся и искажающих исследуемое напряжение в рабочем измеряемом диапазоне частот или длительностей. В прототипе повышение точности измерений и точность передачи формы входного напряжения решается путем борьбы с низкочастотными и высокочастотными составляющими. Для этого используемые делители напряжения требуют специальной индивидуальной настройки и подгонки с помощью отдельно изготовленных конструктивных элементов устройства (высокочастотных узлов, деталей,кабелей и т.д.). Работа является сложной и точность параметров зависит от разнообразных, меняющихся во времени, внешних условий и факторов. Неточности изложения в прототипе математических рассуждений привели к уводу от оптимального направления на выполнение поставленной задачи. Так, при решении интегральных выражений в виде, вытекающих из математического анализа, исследуемый импульс рассматривают как сумму бесконечного числа низкочастотных (НЧ) и высокочастотных (ВЧ) гармонических колебаний (гармоник). Решением является функция . При этом для подынтегральной функциидолжно выполнятся условие, по определению. Этот метод не привел к получению необходимого результата из-за неправильности выводов, вытекающих из математического анализа, при котором исследуемый импульс рассматривают как бесконечную сумму НЧ и ВЧ колебаний (гармоник). Эта задача не определена, т.к. все производные типа/х 0, ввиду равенства 0 приращения у, при х 0, как предела при х 0, соответственно равны нулю производные и, как следствие, нахождение подынтегральной функции, что и есть решение интеграла, не более чем попытка найти часть отношения уу/х по известному результату, т.е. причины по следствию. В итоге задача эта неразрешима, т.к. части интеграла раздельно не существует (не определены). Поэтому выводы по результатам оценки интегральных сумм не имеют смысла, т.к. все составляющие колебаний существуют нераздельно. Таким образом, задача решается путем одновременной борьбы с низкочастотными и высокочастотными составляющими, что является тяжело осуществимым. Такое устройство обеспечивает невысокую точность и качество измерения из-за наличия низкочастотных и высокочастотных колебаний системы, что искажает импульс на выходе делителя и не обеспечивает необходимую передаточную функцию. Задачей полезной модели является повышение точности измерений, надежности, неискаженности импульса или качества передаточной характеристики, достоверности, повторяемости, воспроизводимости измерений высоковольтных импульсов напряжения, т.е. достижение высокой точности и качества измерений,оценки и наблюдения вида и формы сверхкоротких высоковольтных импульсов напряжения. Сущность полезной модели заключается в том, что в устройство для измерения высоковольтных импульсов напряжения, содержащее делитель напряжения, включающий высоковольтную и низковольтную части,осциллограф, генератор импульсов, соединительные проводники и кабели, в отличие от прототипа, в делитель напряжения дополнительно введены индуктивность и резистивный аттенюатор. Для снижения к минимуму взаимного влияния через паразитные связи (взаимоиндуктивности и емкости)- все структурные (функциональные) элементы конструктивно расположены (вытянуты) вдоль прямой линии, т.е. по прямой линии или расположены в линейку. Поставленная задача решается посредством специального выполнения делителя напряжения, построенном на фундаментальном принципе ударного электрорезонанса при импульсном динамическом воздействии на электрическую структуру возникновении колебаний на собственной резонансной частоте, переносе соб 2 358 ственной резонансной частоты высокочастотных колебаний в низкочастотную область с последующим уничтожением одиночного апериодического выброса. Этот перенос осуществляется введением в высоковольтную часть делителя напряжения сосредоточенной индуктивности . При этом собственная резонансная 1 частота делителя 0. Введенная сосредоточенная индуктивность суммируется с распределенной 2 эквивалентной индуктивностью делителя, что приводит к снижению собственной резонансной частоты. При этом резонансные высокочастотные колебания, заполняющие сам импульс, преобразуются в одиночный апериодический высоковольтный резонансный выброс на переднем (заднем) фронте. Этот высоковольтный выброс уничтожается резистивным аттенюатором. Для минимального снижения взаимного влияния - все структурные (функциональные) элементы делителя нужно расположить в линейку. На фиг. 1 представлена схема электрическая структурная устройства для измерения высоковольтных импульсов напряжения. На фиг. 2 представлена схема электрическая функциональная делителя напряжения. Устройство для измерения высоковольтных импульсов напряжения состоит из делителя напряжения 1 осциллографа 2 генератора импульсов 3. Генератор прямоугольных импульсов или генератор импульсов 3 используется для контроля коэффициента деления, качества трансляции входного импульса на выходе или степени искажения импульсной передаточной характеристики. Генератор может использоваться при измерениях постоянно или для периодического контроля и поверки. Генератор импульсов 3 через делитель напряжения 1, а также непосредственно (напрямую) - подключается к осциллографу 2. Емкостной делитель напряжения (см. фиг. 2) - емкостной делитель или делитель напряжения включает в себя последовательно соединенные низковольтную емкость - низковольтную емкостную часть, т.е. низковольтную часть 4 высоковольтную емкость - высоковольтную емкостную часть, т.е. просто - высоковольтную часть 5 сосредоточенную индуктивностьрезистивный аттенюатор 6. Электрическая цепь из перечисленных элементов является входом емкостного делителя, на который подается высоковольтный измеряемый импульс напряжения от источника (объекта измерений) или импульсы с генератора импульсов. Резистивный аттенюатор может включить в себя от одного до двух, и более, резисторов. Количество резисторов определяется только величиной выброса и электрической прочностью одного резистора, поскольку величина сопротивления одиночного резистора может охватывать весь возможный диапазон сопротивлений. На фиг. 2 изображен резистивный аттенюатор, состоящий из двух резисторов 1 2, для делителей на несколько десятков кВ. Высоковольтная емкость может включать в себя от одного до двух, и более, конденсаторов и определяется суммарной входной емкостью и электрической прочностью. Сами конденсаторы должны быть предназначены для работы в импульсном режиме. В данном делителе высоковольтная часть состоит из двух конденсаторов С 1 и С 2. Низковольтная часть включает в себя низковольтную емкость С 3, состоящую из одного до двух, и более,конденсаторов. При необходимости более точной настройки по величине коэффициента деления вводится переменная емкость С 4, подключаемая параллельно и (или) последовательно низковольтной емкости С 3. В общем случае, емкость С 4 может состоять из одного до двух, и более, переменных или подборных постоянных конденсаторов для более точной настройки в различных сочетаниях, включенных по отношению к емкости С 3 параллельно, последовательно или последовательно - параллельно. С 3 и С 4 совместно и будут представлять собой низковольтную часть. С низковольтной части снимается поделенный, без искажений относительно входа, импульс. Непосредственно измерения производятся на осциллографе, мониторе персонального компьютера или пиковом вольтметре,соединенном с низковольтной частью емкостного делителя. Полоса пропускания осциллографа (персонального компьютера, вольтметра) определяется 350 МГц, МГцнсгденс - единица минимального разряда времени в отсчете длительности фронта импульса. Для исключения или снижения до минимума взаимного влияния элементов емкостного делителя все они конструктивно располагаются в одну прямую линию, или по прямой линии - в линейку. Все используемые электронные компоненты (ЭК) являются унифицированными (стандартизованными) и не требуют индивидуальной уникальной разработки и одиночного выпуска. Все ЭК взаимозаменяемы. Высоковольтные конденсаторы С 1, С 2 предназначены для работы в диапазоне доли (нс). Переменный конденсатор С 4 - радиочастотного - СВЧ диапазона. Остальные элементы - обычного, непритязательного типа. 358 Устройство работает следующим образом. С генератора прямоугольных импульсов подается импульс на вход делителя напряжения, практически все напряжение прикладывается к высоковольтной емкости С 1 С 2. Возникшие резонансные колебания в виде одиночного выброса напряжения, определяемого индуктивностьюи емкостями делителя, уничтожаются резистивным аттенюатором . С низковольтной частоты снимается чистый, без искажений и паразитных колебаний импульс напряжения, величина которого определяется только коэффициентом деления. Этот импульс для наблюдения и оценки поступает на осциллограф,персональный компьютер или вольтметр. Коэффициент деления Кд определяется соотношением величин емкостей низковольтной части и высоковольтной части или отношением входного напряжения вх с генератора прямоугольных импульсов к выходному напряжению вых на осциллографе, снимаемому с низковольтной части Кдв/вых. Для измерения, наблюдения и оценки высоковольтного импульса напряжения на вход делителя вместо генератора прямоугольных импульсов подключают источник высоковольтных импульсов. По импульсу, наблюдаемому на осциллографе, определяется его величина, т.е. вых. При умножении вых на коэффициент деления Кд определяется истинное значение напряжения в, подаваемое на вход делителя напряжения. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.