ZESZY TY NA UK O W E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ELEKTRYKA z. 144
1995 N r kol. 1291
Andrzej LEBIEDZK I
POMIARY W BADANIACH TERMICZNYCH DŁAWIKÓW FILTRÓW PRZECIWZAKŁÓCENIOWYCH
Streszczenie. W artykule przedstawiono układy pomiaru indukcyjności własnej, rezystancji i temperatury obudowy dławika przeciwzakłóceniowego. Układy te były stosowane w badaniach termicznych dławików filtrów przeciwzakłóceniowych, a wyniki pomiarów były rejestrowane za pomocą czterokanałowego rejestratora cyfrow ego RCU-4.
MEASUREMENTS IN THERMAL TESTS OF FILTER
UNITS INDUCTORS FOR RADIO INTERFERENCE SUPPRESSION
S um m ary. In the paper some measurement systems o f self-inductance, resistance and tem perature o f inductors for radio interference suppression have been described.
These systems have been applied in thermal tests o f com plete filter units inductors for radio interference suppression and measurement results have been recorded by means o f four channel digital recorder RCU-4.
1. W PRO W A D ZEN IE
Pom iary param etrów elektrycznych dławików filtrów przeciwzakłóceniowych w badaniach term icznych i klim atycznych prowadzone w laboratorium badawczym są podstawowym kryterium oceny jakości produkowanych filtrów na równi z param etram i dielektrycznym i kondensatorów wchodzących w skład filtru. Dotyczy to szczególnie pomiarów indukcyjności w łasnej dław ika po próbie trwałości przeprowadzonej w czasie 1000 godzin w górnej tem peraturze pracy filtru wynoszącej dla badanych typów filtrów + 85°C, przy równoczesnym przepływ ie prądu probierczego o wartości 1,1 I N przez badany dław ik [3].
Przedstaw iony w artykule układ pomiarowy wykorzystuje czterokanałowy rejestrator cyfrowy um ożliwiający rejestracją wartości indukcyjności własnej i rezystancji dław ika oraz tem peratury obudowy badanego filtru.
2. POM IARY INDUKCYJNOŚCI I REZYSTANCJI DŁAWIKA
Do pom iaru indukcyjności i rezystancji dławika zastosowano układ ze wzmacniaczem pom iarowym WP i wzorcem rezystancji RN. Schemat blokowy układu pom iarowego przedstaw iono na r y s .l.
R y s .l. Schem at blokow y układu do pomiaru indukcyjności własnej Ld i rezystancji Rd dławika: G — generator, WM — wzmacniacz mocy, WP — wzmacniacz pom iarow y, W W — wzmacniacz o wzmocnieniu k„ = 20, DF1, DF2 — detektory fazoczule, F D 1, FD 2 — filtry dolnoprzepustowe, WK1, WK2 — wzmacniacze końcowe, Rn — rezystor wzorcowy, Rd, Ld — rezystancja i indukcyjność dławika
F ig .l . Błock diagram o f inductor self-inductance Ld, résistance Rd, measurement system:
G — generator. WM — power amplifier, WP — measurement am plifier, W W — am plifer o f amplification k„ = 20, DF1, DF2 — phase-sensivite detector, FD 1, FD 2 — low-pass filters, WK1, WK2 — final amplifer, RN — standard resistors, Rd, L d — résistance and inductance o f inductor
W układzie generatora G napięcia sinusoidalnego o częstotliwości 1 kHz ± 0,2%
zastosowano wzmacniacz operacyjny. W pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego tego w zmacniacza pracuje mostek Wiena, a dla stabilizacji amplitudy napięcia wyjściowego generatora w ykorzystano dodatkowy wzmacniacz. Na wejścia dodatkowego wzmacniacza podaw ane są wyprostow ane napięcia z generatora i napięcie odniesienia z precyzyjnego źródła napięcia referencyjnego i stabilnego termicznie dzielnika napięcia. Napięcie w yjściowe dodatkowego w zm acniacza steruje elementem regulacyjnym — tranzystorem polowym w gałęzi ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza generatora. Dzięki temu uzyskano w ym aganą stabilizację amplitudy generatora w długim przedziale czasowym w ynoszącą
± 0,2% UN w czasie 24 godzin pracy układu.
Pom iary w badaniach termicznych dławików.. 73
N apięcie z generatora przez wzmacniacz mocy WM i rezystor wzorcowy R „ podawane je st na w ejście odwracające wzmacniacza pomiarowego WP. W pętli sprzężenia zw rotnego w zm acniacza włączony jest mierzony dławik przeciwzakłóceniowy. Przy założeniu szeregowego schematu zastępczego dławika napięcie wyjściowe U p w zm acniacza pom iarowego określa zależność (1)
U, = (1)
gdzie:
U — napięcie wzmacniacza mocy WM, Rd — indukcyjność dławika,
L d — indukcyjność własna dławika, u = 2 IIf — pulsacja napięcia generatora, Rn — rezystancja opornika wzorcowego.
N apięcie w yjściowe U„ ma wartość kilkudziesięciu miliwoltów, ponieważ badane dławiki przeciw zakłóceniow e wykonane są na rdzeniach pierścieniowych ferrytowych, których indukcyjność w yznacza się na początku charakterystyki magnesowania rdzenia ferrytowego [2]. Napięcie wyjściowe U p po 20-krotnym wzmocnieniu we wzmacniaczu WW je st następnie poddane detekcji fazoczułej celem otrzymania dwóch napięć składowych o wartościach proporcjonalnych do indukcyjności własnej Ld i rezystancji Rd mierzonego dławika. Układ elektroniczny każdego detektora fazoczułego D F składa się z przesuwnika fazowego napięcia generatora dla składowej czynnej i biernej, układu formującego prostokątne napięcia sterujące detektorem fazoczulym. W układach detektorów fazoczulych zastosowano ja k o klucze elektroniczne tranzystory bipolarne. Po detekcji otrzymane napięcia podawane są na filtry dolnoprzepustow e FD1 i FD2 i wzmacniacze końcowe WK1, W K2. W zm ocnienia wzmacniaczy wyjściowych dobrane zostały tak, aby napięcia wyjściowe odpowiadały zakresowi napięć wejściowych rejestratora cyfrowego (np. dla dławika o indukcyjności 10 raH napięcie wyjściowe wynosiło 1,000 V). Zmiana zakresu pomiarowego układu pom iaru indukcyjności wykonywana jest przez zmianę wartości rezystora wzorcowego RN.
Przeprow adzając analizę metrologiczną niedokładności pomiaru indukcyjności Ld dławika zależność na składową bierną mierzonego napięcia
przekształcam y do postaci
U 211 /'
(3)
W zględna niedokładność graniczna pomiaru A°Ld wyrażona jest zależnością
A °L, = ± [ |A 0t / J + |A ° t / |+ A0/ y + A °/|], (4)
z zależności (4) wynika, że na niedokładność pomiaru indukcyjności dławika mają wpływ zarów no stabilizacja napięcia i częstotliwości napięcia zasilającego układ, ja k i klasa rezystora wzorcow ego i niedokładność pomiaru napięcia składowej biernej U b. Podobnie dla oceny niedokładności pomiaru rezystancji Rj dławika zależność na składową czynną napięcia
należy przekształcić do postaci
Zależności (4) i (7) nie uwzględniają błędów detektorów fazoczułych, których wpływ może być wyznaczony tylko doświadczalnie.
Regulacje i skalowanie układu pomiaru indukcyjności i rezystancji dławików przeprow adzono za pom ocą miernika cyfrowego RLC typu E-318. W yznaczona niedokładność pom iaru indukcyjności wynosi ± 1% zakresu pomiarowego i jest wystarczająca przy wymaganej tolerancji wykonania dławików przeciwzakłóceniowych ± 25% wartości znam ionow ej.
3. POM IARY TEM PERATURY OBUDOWY FILTRU
D o pom iaru tem peratury powierzchni obudowy filtru zastosowano miniaturowy rezystancyjny przetw ornik platynowy P t 100 typu PI 13 w cienkościennej osłonie mosiężnej mocowany do obudowy za pomocą obejmy z taśmy miedzianej. Schemat blokowy term ometru platynowego przedstaw ia rys.2.
(6)
Pom iary w badaniach term icznych dławików.. 75
R ys.2. Schem at blokowy termometru platynowego: ZP-1, ZP-2 — źródła prądow e, P t-100 — term om etr platynowy, R „ R2 — rezystory sprzężenia zw rotnego wzm acniacza, W — wzmacniacz pomiarowy
F ig.2. Block diagram o f platinum thermometer: ZP-1, ZP-2 — current sources, P t- 100 — tem perature platinum converter, R ,, R2 —amplifier feedback circuit resistors, W — m easurem ent am plifer
Przetw ornik P t 100 i rezystor R! zasilane są ze stabilizowanych źródeł prądow ych ZP1 i ZP2 o prądach około 0,5 mA. Wartość rezystora R2 sprzężenia zwrotnego w zm acniacza pom iarowego układu dobrano tak, aby napięcie wyjściowe U 1N = 1,000 V odpow iadało tem peraturze 100°C obudowy filtru, a wartość U0 = 0 temperaturze 0°C. Skalow anie term om etru wykonano z wykorzystaniem termometru kwarcowego typu PTK-1 o zakresie pom iarowym - 50°C — I- 200°C o rozdzielczości 0,1°C. Wyznaczona niedokładność pom iaru tem peratury w zakresie 20-100°C wynosi ± 0,2°C.
4. REJESTRATOR CYFROW Y RCU-4
R ejestrator cyfrowy RCU-4 o znamionowym zakresie rejestrowanych napięć
± 1,999 V pozw ala na rejestrację około 4000 wyników pomiarowych w czterech kanałach równocześnie. W rejestratorze tym napięcia mierzone podawane są na przetw ornik a/c typu IC L 7135 przez czterokanałowy multiplekser i zapamiętywane w pamięci RAM o pojem ności 32 kB. Pracę rejestratora steruje 8-bitowy mikrokontroler /iP typ 80C32. Rejestrator wyposażony jest w zegar czasu rzeczywistego umożliwiający um iejscowienie każdego zarejestrowanego w yniku w czasie rzeczywistym. Bardziej szczegółowy opis rejestratora zaw iera pozycja literaturow a [1],
P rogram obsługi rejestratora przez komputer IBM PC pozwala na ustalenie param etrów rejestratora, tj. okresu i liczebności pomiarów w serii, synchronizacje zegara z zegarem
kom putera, odbiór danych z pamięci rejestratora i przedstawienie wyników pom iarów w postaci tabeli zawierającej wyniki w czterech kolumnach z czterech kanałów z podaniem wielkości mierzonych i ich jednostek.
5. BA DANIE TERM ICZN E DŁAWIKÓW FILTRÓW PRZECIW ZAKŁÓCENIOW YCH
W czasie badań termicznych dławików rejestrację wyników pomiaru wykonywano tylko dla jednego dławika. W każdej serii pomiarów liczących 200-300 wyników o okresie pomiaru 8 sekund. Rejestrowano równocześnie indukcyjność własną Ld dławika, rezystancję Rd i tem peraturę obudowy filtru lub samego dławika. Zapamiętane wyniki pomiaru przepisywane były po zapełnieniu pamięci rejestratora na dysk twardy komputera i zapisywane w postaci trzech kolumn wyników pomiarowych. Do wyznaczenia współczynnika dobroci Q = w L/R dław ika wykorzystano program Windows 3.1. Program ten pozwala na dokonywanie operacji matem atycznych na zestawionych tabelarycznie wynikach pomiaru, tj. mnożenie wartości kolum ny przez stały współczynnik, dzielenie wartości liczbowych jednej kolumny przez odpow iadające im wartości kolumny sąsiedniej. Korzystając z tego programu w ykreślono również zależności temperaturowe zmian indukcyjności własnej Ld i współczynnika dobroci Q w czasie badań termicznych. W przeprowadzonych badaniach termicznych przebadane były dławiki wykonane na pierścieniowych rdzeniach ferrytowych typu RP 15x9,6x15 i RP 25x15x12 w ykonane z ferrytów niklowo-cynkowych produkcji ZMM Polfer. G otow e dławiki o wartościach znamionowych indukcyjności własnej L^, = 0,3; 1,6; 1,6; 2,5 mH i tolerancji
± 25% są stosowane w filtrach przeciwzakłóceniowych typu FPpz-B04 do B24 produkcji Spółdzielni Inwalidów SILESIA.
Badania laboratoryjne przeprowadzone były na gotowych filtrach typu FPpz-B08 posiadających dławiki o indukcyjności znamionowej 2,5 mH wykonane na rdzeniach typu RP 15x9,6x15. Pom iary wykonano też na specjalnie wykonanych dławikach z wykorzystaniem obu typów rdzeni.
Zarejestrow ane zależności temperaturowe indukcyjności Ld i dobroci Q samych dławików, ja k i filtrów FPpz-B08 przedstawiono na rys. 3-10.
W większości badanych przypadków indukcyjność własna dławika rosła ze wzrostem tem peratury o kilkanaście procent wartości początkowej dla różnicy temperatur At? = 60“C przy równoczesnym spadku dobroci Q o 20^-30%.
Po ponownym ochłodzeniu właściwości dławika wracały do wartości początkowych.
W kilku przypadkach badań temperaturowych filtrów typu FPpz B-08 stwierdzono jednak, że po nagrzaniu filtru do temperatury + 85°C indukcyjność dławika gwałtownie zm alała do około 0,1 wartości początkowej, a po ponownym ochłodzeniu tylko nieznacznie wzrosła. Ten przypadek przedstawiono na rys.7.
Pom iary w badaniach termicznych dławików.. 77
° - hugrzeuan/e
R ys.3. Zależność tem peraturowa zmian indukcyjności własnej Ld dławika typu RP 15x9,6x15 przy nagrzewaniu i chłodzeniu dławika w suszarce
F ig .3 . Self-inductance tem perature dependence o f inductor type RP 15x9,6x15 during heating and cooling o f inductor in drier
Rys.4. Zależność temperaturowa zmian dobroci Q dławika typu RP 15x9,6x15, przy nagrzewaniu i chłodzeniu dławika
F ig .4. Quality factor Q temperature dependence o f inductor coil type RP 15x9,6x15 during heating and cooling o f inductor
o -n a q riiu q n tt.
x - M o d z th ie
R ys.5. Zależność tem peraturowa zmian indukcyjności własnej Ld dławika typu RP 25x15x12 w czasie nagrzewania i chłodzenia dławika w badaniach termicznych
F ig .5. Self-inductance temperature dependence o f inductor type RP 25x15x12 during heating and cooling in thermal tests
o - naqrzeuan/e
R ys.6. Zależność temperaturowa dobroci Q dławika typu RP 25x15x12 w czasie nagrzew ania i chłodzenia dławika
F ig .6 . Q uality factor Q temperature dependence o f inductor type R P -2 5 x l5 x l2 during heating and cooling
P om iary w badaniach termicznych dławików.. 79
R ys.7. Zależność temperaturowa indukcyjności własnej dławika filtru FPpz-B08 n r 1 o wartości znamionowej 2,5 mH ± 2 5 % przy nagrzewaniu i chłodzeniu filtru w suszarce
F ig .7. Self-inductance temperature dependence o f inductor nominal value 2,5 mH ± 2 5 % o f filter FPpz-B08 number 1 during heating and cooling in drier
R ys.8. Zależność temperaturowa dobroci Q dławika filtru FPpz-B08 nr 1 przy nagrzewaniu i chłodzeniu filtru
F ig .8. Q uality factor Q temperature dependence o f filter inductor type FPpz-B08 num ber 1 during heating and cooling o f filter
R ys.9. Zależność tem peraturowa indukcyjności własnej dławika filtru FPpz-B08 nr 2 o w ar
tości znamionowej 2,5 mH + 25% przy nagrzewaniu i chłodzeniu filtru w suszarce F ig .9. Self-inductance temperature dependence of filter inductor type FPpz-B08 num ber 2
nom inal value 2 ,5 mH ± 2 5 % during heating and cooling in drier
Rys. 10. Zależność temperaturowa dobroci Q dławika filtru FPpz-B08 nr 2 o wartości znamionowej 2,5 mH ± 2 5 % przy nagrzewaniu i chłodzeniu filtru
Fig. 10. Quality factor Q temperature dependence o f filter inductor type FPpz-B08 number 2 nominal value 2,5 mH ± 2 5 % during heating and cooling
Pom iary w badaniach termicznych dławików. 81
T akie zachowanie dławika w badaniach termicznych wskazuje na wadliwy proces technologiczny u producenta rdzeni ferrytowych. Celem niedopuszczenia do produkcji filtrów z w adliwym i rdzeniam i zalecono producentowi filtrów przed nawinięciem uzwojeń dław ików kilkugodzinne nagrzewanie nowo zakupionych rdzeni w temperaturze + 85°C, a po ich ochłodzeniu kontrolę stałej indukcyjności AL każdego rdzenia na specjalnym stanowisku kontrolnym .
6. W N IO SK I KOŃCOW E
Przedstaw iona m etoda rejestracji indukcyjności własnej Ld rezystancji Rd i tem peratury obudow y dławika lub filtru przeciwzakłóceniowego z wykorzystaniem czterokanałowego rejestratora cyfrow ego RCU-4 pozwala na przeprowadzenie badań krótkotrwałych i wielogodzinnych w zmiennych warunkach temperaturowych. Układ m oże być w ykorzy
stywany również do komputerowej rejestracji pomiarów kontrolnych wykonywanych u producenta filtrów przeciwzakłóceniowych w procesach międzyoperacyjnych, ja k i na gotowych filtrach przeciwzakłóceniowych. Stosowany układ pomiarowy może być w ykorzystany w badaniach klimatycznych z równoczesna rejestracja tem peratury i wilgotności względnej w kom orze klimatycznej.
LITERATURA
1. Lebiedzki A.: Pomiary w badaniach termicznych i klimatycznych kondensatorów przeciw zakłóceniow ych. ZN Pol. Śl. ser. Elektryka, z. 136, Gliwice 1994.
2. Gasi orek S ., Wadas R .: Ferryty, zarys własności i technologii. W KiŁ, W arszawa 1987.
3. PN -93/T -80103. Filtry przeciwzakłóceniowe. Norma wspólna.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Augustyn Chwaleba
W płynęło do Redakcji dnia 20 kwietnia 1995 r.
Abstract
In the paper some measurement systems o f self-inductance, resistance and tem perature o f inductors for radio interference suppression have been described. These systems have been applied in therm al tests o f complete filter units inductors for radio interference suppression.
M easurem ent results have been recorded by means o f four channel digital recorder RCU-4.
A system with m easurem ent amplifier WP and standard resistor RN presented in Fig. 1 has been used for self-inductance and resistance o f inductor measurement. After phase detection o f am plifer output voltage two voltage components have been obtained proportional to self
inductance Ld and resistance Rd o f measurement inductor. For filter casing tem perature measurem ent platinum converter Pt 100 and measuring systems presented in F ig .2 have been used. F our channel digital recorder RCU-4 makes it possible to record in its memory approxim ately 4000 measurement results simultaneously in four channels. In F ig .3 to 10 tem perature dependencies o f self-inductance and Q factor have been recorded during heating and cooling o f tested inductors for radio interference suppression in laboratory drier. In some cases o f therm al tests on filter FPpz-B08 a self-inductance drop o f inductors to 0,1 initial value after heating to 85°C has been observed.
