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Appareil pour la mesure des impédances électriques.
Selon des,méthodes connues les impédances électriques sont généralement mesurées.dans un pont de mesure ou autre circuit pareil, par exemple un compensateur. Le pont (2, fige 1) est alimenté d'une tension V1 de fréquence f, livrée par un générateur de tension alternative (1) entre deux coins opposés 3 et 4 du pont. La tension V2, dite la ten- sion d'indicateur entre les deux autres coins 5 et 6 est indiquée par un instrument 2. Une ou plusieurs des impé- dances Z1, Z, Z3 et Z4 sont variables. On compense le pont avec ses éléments variables jusqu'à ce que la tension V2 soit devenue zéro.
L'impédance inconnue Z1 peut alors se calculer de la formule:
EMI1.1
Z2Z Zl = -z2z Z4
Quand il s'agit de mesurer ou contrôler un grand nom- bre d'impédances similaires, il est souvent considéré su- perflu ou trop compliqué de compenser le pont de mesure @ pour chaque spécimen.
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Dans ce cas, on ne compense le pont que pour une des impédances, dite normale, et pour les autres on lit l'indi- cation de l'instrument 2. Si les différences entre les spe- cimens sont faibles, c.a.d. que, V2 est beaucoup plus petit que Vl, l'indication de l'instrument 2 est presque propor- tionelle à la différence entre l'impédance mesurée et l'im- pédance normale.
La différence entre les impédances est un vecteur, ayant magnitude et angle de phase. L'indication d'un instrument ne peut donc le déterminer complètement. Ordinairement, l'instrument indique la magnitude de la tension, ce qui laisse déterminer la magnitude de la différence d'impédance, pendant que la phase reste indéterminée. Pour connaître aussi la phase il faut compenser le pont ou déterminer la différence de phase, les tensions V2 et V1, par exemple avec un° oscillographe.
Souvent les différences d'impédance à mesurer sont très petites et la sensibilité de l'appareil doit être grande.La limite de sensibilité n'est pas fixée par la sensibilité de l'instrument 2, laquelle est facilement augmentée, si la tension V2 est d'abord amplifiée d'un amplificateur, mais par les tensions de bruit amplifiées en même temps. La ma- gnitude de ces tensions est la limite de l'exactitude at- teignable en mesurant la tension V2. Les tensions de bruit comprennent les harmoniques de la fréquence f du mesurage, des tensions de la fréquence du courant alternatif, provenant des machines et appareils électriques, situées à proximité ou de la tension continue incomplètement filtrée des tubes électroniques, et des tensions apériodiques provenant du bruit des circuits des tubes.
Pour diminuer la magnitude de ces tensions de bruit il faut prendre des mesures, qui com- pliquent l'appareil et le rendent assez coûteux. Le généra- teur doit donc donner une tension sinusoïdale pure et d'une
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fréquence stable, les éléments de l'appareil doivent être bien protégés contre les tensions parasites rayonnantes et l'appareil construit de manière que le bruit apériodique devienne aussi faible que possible. Souvent l'amplificateur de l'instrument 2 est rendu sélectif pour la fréquence f, ce qui diminue la sensibilité aux tensions parasites.
La présente invention se réfère à une construction sim- ple et insensible aux bruits parasites pour mesurer des im- pédances et surtout des changements d'impédance avec grande sensibilité: L'invention consiste en un pont de mesure ou autre circuit à mesurer dès impédances, qui contient des éléments d'impédances variables avec lesquels le pont ou le circuit peut être oompensé, c'est-à-dire le réglage à zéro d'une tension d'indicateur, mesurée entre deux bornes de sortie quand le pont etc. est alimenté d'une tension d'un générateur entre deux autres bornes d'entrée, et d'un ampli- ficateur et est caractérisée en ce que les bornes d'entrée de l'amplificateur sont raccordées aux bornes de sortie du pont etc.
et que les bornes de sortie de l'amplificateur sont raccordées aux bornes d'entrée du pont, de manière que des oscillations se produisent dont l'amplitude et/ou la fréquence sont mesurées en un point convenable de l'appareil, par exemple aux bornes de sortie de l'amplificateur*
L'invention sera décrite plus en détails ci-dessous, avec référence aux figures.
Les figures 1 et 2 montrent des diagrammes de circuits schématiques du principe de l'invention.
La figure 3 est une figure, montrant la magnitude des oscillations en fonction du déséquilibre Ó.
La figure 4 est un diagramme de vecteur des tensions du pont.
La figure 5 montre une application de l'invention à un appareil pour contrôler des tubes, eto.
@
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La fig. 6 montre une application de l'invention à un appareil de mesure de la hauteur d'un avion.
La présente invention, dont le principe est montré en fig. 2, consiste en un amplificateur 12, avec les bornes d'entrée 11 et de sortie 10 et en un pont de mesure compen- sateur ou autre circuit de mesure pareil, 9, avec deux bor- nes d'entrée 7 et deux bornes de sortie 3. Les bornes 11 de l'amplificateur sont connectées aux bornes 8 du pont et les bornes 10 de l'amplificateur aux bornes 7 du pont. Au cir- cuit de sortie de l'amplificateur est aussi raccordé un ins- trument, par exemple un voltmètre 13.
Le circuit de mesure est ainsi connecté à l'amplifica- teur en circuit de réaction. Par "déséquilibre" Ó du pont, il faut comprendre le rapport entre la tension V2 aux bornes de sortie du circuit et V1 aux bornes d'entrée. Si le pont est compensé, le déséquilibre est zéro. L'appareil peut fonctionner en oscillateur si la réaction est positive et la tension régénérée assez grande. Si l'amplificateur re- tarde la phase de l'angle et le pont de l'angle Ó, la condition de réaction positive, la "condition de phase" peut être rendue par la formule:
EMI4.1
= n.27((1l.== O,! 1, 2,.....) Orinairement Ó et Ó dépendent de la fréquence. La rela- tion est donc une équation de la fréquence et les solutions de l'équation sont les fréquences des oscillations produites, si la tension régénérée est assez grande.
Cette deuxième condition, la "condition d'amplitde" peut être rendue par:
F.Ó = 1 où F est l'amplification de l'amplificateur et Ó le rapport entre V1 et V2. c'est-à-dire le déséquilibre.
Tous les amplificateurs sont affectés de distorsion non linéaire, c'est-à-dire que.F dépend de l'amplitude des oscillations. Ordinairement F est maximum pour des oscilla-
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tions très faibles et décroît, quand la tension accroît. La fréquence fixée de la,condition de phase, la condition d'am- plitude est une équation de l'amplitude des oscillations.
Soit Fo la valeur maximum de l'amplification. Si le pont a été compensé la tension régénérée est zéro, des os- cillations sont donc impossibles. On fait varier alors les éléments variables du pont d'une manière déterminée et on introduit ainsi une tension régénérée. La variation est faite telle que la différence de phase entre les tensions V2 et V1 est constante, tandis que la magnitude de la ten- sïon régénérée V augmente graduellement. La tension régé- nérée n'est pas assez grande pour exciter des oscillations tant que Ó .Fo# 1. Pour la valeur critique C = 1/fo, des oscillations de petite amplitude peuvent se produire.
Une augmentation additionnelle de 0( augmente la tension V2, qui est amplifiée et portée aux bornes 7 du pont, ce qui aug- mente encore la tension V2./
Le procédé continue jusqu'à un état d'équilibre. A cau- se de l'action régénératrice du pont, un appareil sèlon la présente invention devient beaucoup plus sensible qu'un circuit conventionel à mesurer des impédances, qui utilise le même amplificateur. L'état d'équilibre mentionné est dé- terminé par le fait que l'amplitude des oscillations augmen- te et l'amplification diminue jusqu'à ce que la condition d'amplitude soit satisfaite à nouveau.
La relation entre l'amplitude et la valeur 0( est démon- trée de la fig. 3, courbe 19. De la limite d'oscillations Ó = 1/Fo l'amplitude monte d'abord rapidement, puis plus lentement avec Ó et atteint finalement une limite, déter- minée par la tension maximum que les tubes électroniques de l'appareil peuvent donner. La forme de la courbe 19 dé- pend principalement des propriétés non linéaires des tubes
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électroniques. Dans un appareil ordinaire à mesurer des impédances électriques, courbe 20, la tension mesurée monte linéairement avec ± , commençant avec la valeur Ó = 0.
Une comparaison des deux courbes démontre la plus grande sensibilité d'un appareil selon la présente invention.
Il est avantageux d'utiliser un amplificateur sélectif pour la fréquence de mesure. Le retardement Ó de phase causé par le pont, doit être choisi q. tel que la condition de phase est satisfaite pour cette fréquence. A cause du changement de phase causé par l'amplificateur sélectif le pont excite une forte réaction négative pour toutes les fréquences excepté les fréquences immédiates de la fréquence de mesure. L'appareil devient ainsi insensible aux tensions parasites, discutées à la page 2.
Un changement de l'impédance à mesurer entraine une modification des conditions d'oscillations. Le changement d'impédance peut être divisé en deux composantes, dont l'une entraine une modification de la valeur Ó et l'autre une modification de la valeur Ó. La première peut être indi- quée par un instrument qui mesure l'amplitude des oscil- lations, par exemple un voltmètre connecté aux bornes de sortie de l'amplificateur, tandis que l'autre influence la fréquence des oscillations. Le changement de fréquence peut être mesuré, par exemple avec un discrimina leur de fréquence qui transforme le changement de fréquence en une modification d'un courant aisément mesurable.
Contrairement au pont de mesure ordinaire, l'invention est sensible à la phase du changement vectoriel de l'im- pédance, et chacun des deux instruments mentionnésplus haut indique la composante dans une certaine direction.
Le principe de l'invention décrite peut être appliqué au problème relatif à l'indication, par les méthodes élec- tro-inductives, des défauts, par exemple des fentes, dans des objets de matériaux conducteurs ou magnétiques. Le pont
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de mesure peut contenir pour àette application deux bobines 14 et 18 et un potehtiomètre 15 (fig. 5) pour la compensa- tion du pont. La phase des bobines peut être compensée avec le potentiomètre 16, qui cependant n'est pas indispensable.
Pour contrôler des barres ou tubes en métal, les deux bobines sont mises concentriquement l'une à côté de l'autre et le tube ou la barre est poussé à travers les bobines.Le contrôle est donc une comparaison des deux parties de la barre qui se trouve dans chaque bobine. Tant que la barre est homogène, c'est-à-dire que les deux parties comparées sont identiques, l'indication de l'instrument reste cons- tante. Si une partie de la barre, qui contient par exemple une fente, entre dans le champ magnétique d'une des bobines, l'équilibre des bobines est modifié et l'indication change dans une direction. L'équilibre est rétabli quand le défaut se trouve entre les deux bobines. Quand le défaut passe par le champ magnétique de l'autre bobine l'indication est chan- gée dans l'autre direction.
Pour assortir des barres ou d'autres objets eu égard à leurs propriétés électriques ou magnétiques, qui dépendent des dimensions, de l'analyse, de la structure et de la pré- sence de défauts de matériaux, les bobines sont misés à une certaine distance l'une de l'autre. Un objet ayant des propriétés normales est mis dans une des'bobines, et les autres objets sont contrôlés l'un après l'autre dans l'autre bobine.
Si les objets sont trop grands pour être mis dans une bobine, on peut les contrôler avec une bobine à noyau de fer, qui concentre le champ magnétique en une partie de l'objet en question et est raccordée à l'appareil par une conduite flexible. Le dispositif peut être utilisé pour déterminer les propriétés électriques ou magnétiques des matériaux et e les grandeurs qui en dépendent, des différentes parties de l'objet. On peut ainsi localiser des défauts de l'objet.Le
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dispositif est utile également pour la mesure d'une couche, par exemple métallique sur une base ayant des propriétés électromagnétiques différentes de celles du matériau de la couche.
Le principe de l'invention pourra aussi être appliqué à la construction d'un altimètre pour avions. Dans ce cas l'impédance à mesurer peut être l'impédance entre deux pla- ques ou antennes (23 et 24 de fig. 6), situées par exemple sous les ailes de l'avion. Une de ces plaques ou antennes peut être la masse de l'avion même. L'impédance est ordi- nairement mesurée à des fréquences élevées de radio. Pour des fréquences très élevées les deux ailes de l'avion constituent une antenne de.dipole effective, et l'impédance mesurée peut alors être l'impédance d'antenne de l'avion même. Quand l'avion s'approche de'une surface conductrice, par exemple la surface de la terre, l'impédance mesurée est changée et l'instrument peut indiquer la distance au sol.
L'impédance mesurée, principalement une capacitance, est compensée par un condensateur variable 5,¯@ fig. 6.Les deux autres impédances du pont Z1 et Z2. peuvent être les deux moitiés d'une bobine qui en même temps peut être l'en- roulement secondaire du transformateur, qui connecte le pont à l'amplificateur 12.
Dans d'autres applications de l'invention, les impé- dances du pont comprennent des éléments, par exemple des résistances, bobines et condensateurs, dont' l'impédanoe dé- pend de la distance entre deux points de l'élément. Si cet élément est appliqué à un objet et des forces mécaniques sont appliquées, la déformation de l'objet peut être mesurée.
La présente invention n'est naturellement pas limitée aux applications et formes de construction décrites, et d'autres peuvent être conçues.
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Apparatus for measuring electrical impedances.
According to known methods, the electrical impedances are generally measured in a measuring bridge or other similar circuit, for example a compensator. The bridge (2, freeze 1) is supplied with a voltage V1 of frequency f, delivered by an alternating voltage generator (1) between two opposite corners 3 and 4 of the bridge. The voltage V2, called the indicator voltage between the other two corners 5 and 6, is indicated by an instrument 2. One or more of the impedances Z1, Z, Z3 and Z4 are variable. The bridge is compensated with its variable elements until the voltage V2 has become zero.
The unknown impedance Z1 can then be calculated from the formula:
EMI1.1
Z2Z Zl = -z2z Z4
When it comes to measuring or controlling a large number of similar impedances, it is often considered superfluous or too complicated to compensate the measuring bridge @ for each specimen.
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In this case, the bridge is only compensated for one of the impedances, called normal, and for the others, the indication of instrument 2 is read. If the differences between the specimens are small, that is, V2 is much smaller than Vl, the indication of instrument 2 is almost proportional to the difference between the measured impedance and the normal impedance.
The difference between the impedances is a vector, having magnitude and phase angle. The indication of an instrument cannot therefore determine it completely. Usually, the instrument indicates the magnitude of the voltage, which allows the magnitude of the difference in impedance to be determined, while the phase remains undetermined. To also know the phase, it is necessary to compensate the bridge or determine the phase difference, the voltages V2 and V1, for example with an oscillograph.
Often the differences in impedance to be measured are very small and the sensitivity of the device must be large.The sensitivity limit is not fixed by the sensitivity of the instrument 2, which is easily increased, if the voltage V2 is first amplified by an amplifier, but by the noise voltages amplified at the same time. The magnitude of these voltages is the limit of the accuracy attainable by measuring voltage V2. Noise voltages include the harmonics of the frequency f of the measurement, voltages of the frequency of the alternating current, coming from electrical machinery and apparatus, located nearby or the incompletely filtered direct voltage of the electronic tubes, and aperiodic voltages coming from the noise from tube circuits.
To reduce the magnitude of these noise voltages, measures must be taken, which complicate the apparatus and make it rather expensive. The generator must therefore give a pure sinusoidal voltage with a
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frequency stable, the parts of the apparatus must be well protected against radiating interference voltages and the apparatus must be constructed in such a way that aperiodic noise becomes as low as possible. Often the amplifier of the instrument 2 is made selective for the frequency f, which reduces the sensitivity to parasitic voltages.
The present invention refers to a simple construction that is insensitive to parasitic noise for measuring impedances and especially changes in impedance with great sensitivity: The invention consists of a measuring bridge or other circuit to be measured from the impedances, which contains elements of variable impedances with which the bridge or circuit can be compensated, i.e. the zero setting of an indicator voltage, measured between two output terminals when the bridge etc. is supplied with a voltage from a generator between two other input terminals, and from an amplifier and is characterized in that the input terminals of the amplifier are connected to the output terminals of the bridge etc.
and that the output terminals of the amplifier are connected to the input terminals of the bridge, so that oscillations occur, the amplitude and / or frequency of which are measured at a suitable point of the apparatus, for example at the amplifier output terminals *
The invention will be described in more detail below, with reference to the figures.
Figures 1 and 2 show schematic circuit diagrams of the principle of the invention.
Figure 3 is a figure showing the magnitude of the oscillations as a function of the imbalance Ó.
Figure 4 is a vector diagram of the voltages of the bridge.
Figure 5 shows an application of the invention to an apparatus for testing tubes, eto.
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Fig. 6 shows an application of the invention to an apparatus for measuring the height of an airplane.
The present invention, the principle of which is shown in FIG. 2, consists of an amplifier 12, with input 11 and output 10 terminals and a compensating measuring bridge or other similar measuring circuit, 9, with two input terminals 7 and two control terminals. output 3. The terminals 11 of the amplifier are connected to the terminals 8 of the bridge and the terminals 10 of the amplifier to the terminals 7 of the bridge. An instrument, for example a voltmeter 13, is also connected to the output circuit of the amplifier.
The measuring circuit is thus connected to the amplifier as a feedback circuit. By "unbalance" Ó of the bridge, it is necessary to understand the relationship between the voltage V2 at the output terminals of the circuit and V1 at the input terminals. If the bridge is compensated, the imbalance is zero. The device can operate as an oscillator if the reaction is positive and the regenerated voltage is large enough. If the amplifier delays the phase of the angle and the bridge of the angle Ó, the positive feedback condition, the "phase condition" can be rendered by the formula:
EMI4.1
= n.27 ((1l. == O ,! 1, 2, .....) Normally Ó and Ó depend on the frequency. The relation is therefore an equation of the frequency and the solutions of the equation are the frequencies of the oscillations produced, if the regenerated voltage is large enough.
This second condition, the "amplitude condition" can be rendered by:
F.Ó = 1 where F is the amplification of the amplifier and Ó the ratio between V1 and V2. that is, the imbalance.
All amplifiers are affected by non-linear distortion, i.e.. F depends on the amplitude of the oscillations. Usually F is maximum for oscillations
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tions very weak and decreases, when the tension increases. The fixed frequency of the phase condition, the amplitude condition, is an equation of the amplitude of the oscillations.
Let Fo be the maximum value of the amplification. If the bridge has been compensated, the regenerated voltage is zero, oscillations are therefore impossible. The variable elements of the bridge are then varied in a determined manner and a regenerated voltage is thus introduced. The variation is made such that the phase difference between the voltages V2 and V1 is constant, while the magnitude of the regenerated voltage V gradually increases. The regenerated voltage is not large enough to excite oscillations as long as Ó .Fo # 1. For the critical value C = 1 / fo, small amplitude oscillations may occur.
An additional increase of 0 (increases the voltage V2, which is amplified and carried to terminals 7 of the bridge, which further increases the voltage V2./
The process continues until a state of equilibrium. Due to the regenerative action of the bridge, an apparatus according to the present invention becomes much more sensitive than a conventional circuit for measuring impedances, which uses the same amplifier. The state of equilibrium mentioned is determined by the fact that the amplitude of the oscillations increases and the amplification decreases until the amplitude condition is satisfied again.
The relation between the amplitude and the value 0 (is shown in fig. 3, curve 19. From the oscillation limit Ó = 1 / Fo the amplitude rises first rapidly, then more slowly with Ó and finally reaches a limit, determined by the maximum voltage that the electron tubes of the apparatus can give. The shape of curve 19 depends mainly on the nonlinear properties of the tubes.
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electronic. In an ordinary electrical impedance measuring device, curve 20, the measured voltage rises linearly with ±, starting with the value Ó = 0.
A comparison of the two curves demonstrates the greater sensitivity of an apparatus according to the present invention.
It is advantageous to use a selective amplifier for the measurement frequency. The phase delay Ó caused by the bridge, must be chosen q. such that the phase condition is satisfied for that frequency. Due to the phase change caused by the selective amplifier the bridge excites a strong negative reaction for all frequencies except the immediate frequencies of the measurement frequency. The device thus becomes insensitive to stray voltages, discussed on page 2.
A change in the impedance to be measured leads to a modification of the oscillation conditions. The change in impedance can be divided into two components, one of which changes the value Ó and the other changes the value Ó. The former can be indicated by an instrument which measures the amplitude of the oscillations, for example a voltmeter connected to the output terminals of the amplifier, while the other influences the frequency of the oscillations. The change in frequency can be measured, for example with a frequency discrimination which transforms the change in frequency into a change in an easily measurable current.
Unlike the ordinary measuring bridge, the invention is sensitive to the phase of the vectorial change in impedance, and each of the two instruments mentioned above indicates the component in a certain direction.
The principle of the invention described can be applied to the problem relating to the indication, by electro-inductive methods, of defects, for example slits, in objects of conductive or magnetic materials. The bridge
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measuring device can contain for this application two coils 14 and 18 and a potentiometer 15 (fig. 5) for the compensation of the bridge. The phase of the coils can be compensated with potentiometer 16, which however is not essential.
To test metal bars or tubes, the two coils are put concentrically next to each other and the tube or bar is pushed through the coils, so the test is a comparison of the two parts of the bar that is in each coil. As long as the bar is homogeneous, that is to say that the two parts compared are identical, the indication of the instrument remains constant. If a part of the bar, which for example contains a slit, enters the magnetic field of one of the coils, the balance of the coils is changed and the indication changes in one direction. Balance is restored when the fault is between the two coils. When the fault passes through the magnetic field of the other coil the indication is changed in the other direction.
To match bars or other objects with regard to their electrical or magnetic properties, which depend on dimensions, analysis, structure and the presence of material defects, the coils are placed at a certain distance. one from the other. An object with normal properties is put in one of the coils, and the other objects are checked one after the other in the other coil.
If the objects are too large to be put in a coil, they can be controlled with an iron core coil, which concentrates the magnetic field in part of the object in question and is connected to the device by a flexible pipe. . The device can be used to determine the electrical or magnetic properties of materials and the quantities which depend on them, of the different parts of the object. It is thus possible to locate defects in the object.
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The device is also useful for measuring a layer, for example metallic on a base having electromagnetic properties different from those of the material of the layer.
The principle of the invention could also be applied to the construction of an altimeter for airplanes. In this case the impedance to be measured may be the impedance between two plates or antennas (23 and 24 of FIG. 6), located for example under the wings of the airplane. One of these plates or antennas may be the mass of the aircraft itself. Impedance is usually measured at high radio frequencies. For very high frequencies the two wings of the airplane constitute an effective dipole antenna, and the measured impedance can then be the antenna impedance of the airplane itself. When the aircraft approaches a conductive surface, for example the surface of the earth, the measured impedance is changed and the instrument can indicate the distance to the ground.
The measured impedance, mainly a capacitance, is compensated by a variable capacitor 5, ¯ @ fig. 6.The other two impedances of the bridge Z1 and Z2. can be the two halves of a coil which at the same time can be the secondary winding of the transformer, which connects the bridge to the amplifier 12.
In other applications of the invention, the impedances of the bridge include elements, for example resistors, coils and capacitors, the impedance of which depends on the distance between two points of the element. If this element is applied to an object and mechanical forces are applied, the deformation of the object can be measured.
The present invention is of course not limited to the applications and forms of construction described, and others can be devised.