Способ измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных двухполюсников и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для измерения параметров комплексных двухполюсников. Цель изобретения - повьшение точности измерений путем уменьшения погрешности от нестабильности амплитуд напряжений , снимаемых с мостовой измерительной цепи. Устройство, реализующее способ, содержит генератор 1 синусоидального напряж-гкия, мостовой измеритель 2, мостовую измерительную цепь, одна ветвь которой состоит из образцового 3 и исследуемого 4 двухполюсников , а другая - из однородных образцовых двухполюсников 5 и 6, блоки 7.1 и 7.2 согласования, блок 8 разности, усилители-ограничители 9.1, 9.2 и 9.3,элементы ЗАПРЕТ 10,1 и 10.2, блоки 11.1 и 11.2 преобразова}1ия временных интервалов в цифровой код, микроэвм 12 и блок 13 индикации. Способ предусматривает формирование дополнительного сигнала (ДС), пропорционального сдвигу напряжения небаланса относительно напряжения питания , формирование второго ДС, пропорционального фазовому сдвигу напряжения на образцовом или исследуемом двухполюснике (ИД) мостовой измерительной цепи, относительно напряжения питания. Параметры определяют при последов ательной схеме замещения ИД по формулам, приведенным в описании изобретения. 1, 2 с.п. ф-лЫ; 6 ил. (С СО к о о о фиг. 5

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„зи„„иы760 (51) л С 01 R 17/10, 27 02

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ!

3.,;., 13

OflNCAHHE ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 3889274/24-21 (22) 24.04.85 (46) 30.06 ° 87. Бюл. № 24 (72) Ю.М. Гусенко, A.Ф. Прокунцев, В.А. Февралев, В.Н, Шопырин и P.Ì. Юмаев (53) 621.317.733(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹- 121662, кл. G 01 R 27/02, 1957.

Авторское свидетельство СССР

¹ 798626, кл. G 01 R 17/10, 1981. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ КОМПЛЕКСНЫХ ДВУХЭЛЕМЕНТНЫХ

ДВУХПОЛЮСНИКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для измерения параметров комплексных двухполюсников. Цель изобретения — повышение точности измерений путем уменьшения погрешности от нестабильности амплитуд напряжений, снимаемых с мостовой измерительной цепи. Устройство, реализующее способ, содержит генератор 1 синусоидального напряжения, мостовой измеритель 2, мостовую измерительную цепь, одна ветвь которой состоит из образцового 3 и исследуемого 4 двухполюсников, а другая — из однородных образцовых двухполюсников 5 и 6, блоки 7.1 и 7.2 согласования, блок 8 разности, усилители-ограничители 9.1, 9.2 и 9.3,элементы ЗАПРЕТ 10.1 и 10,2 блоки 11.1 и 11.2 преобразования временных интервалов в цифровой код, микроЭВМ 12 и блок 13 индикации. Способ предусматривает формирование дополнительного сигнала (ДС), пропорционального сдвигу напряжения небаланса относительно напряжения питания, формирование второго ДС, пропорционального фазовому сдвигу- напряжения на образцовом или исследуемом двухполюснике (ИД) мостовой измерительной цепи, относительно напряжения питания, Параметры определяют при последовательной схеме замещения ИД по формулам, приведенным в описании изобретения. 1, 2 с.п. ф-лы, 6 ил. 4ь

nd К

Uck

1 13207

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных двухполюсников.

Цель изобретения — повышение точности измерения параметров комплексных двухэлементных двухполюсников за счет уменьшения погрешности от нестабильности амплитуд напряжений, снимаемых с мостовой измерительной 1О цепи.

На фиг. 1 и 2 изображены мостовая измерительная цепь и векторная диаграмма токов и напряжений при последовательной схеме замещения иссле" 15 дуемого двухполюсника, имеющего емкостный характер; на фиг. 3 и.4 мостовая измерительная цепь и вектор ная диаграмма токов и напряжений при параллельной схеме замещения иссле- 20 дуемого двухполюсника, имеющего емкостный характер; на фиг, 5 — структурная схема устройства для измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных двухполюсников; 25 на фиг. 6 — временная диаграммы работы устройства.

Генератор 1 синусоидального напряжения запитывает мостовые измерительные цепи 2 (фиг, 1 и 3), сос- Зо тавленные из последовательно соединенных образцового двухполюсника 3 (Ro), исследуемого двухполюсника 4, состоящего из активного 4.1 (R„) и реактивного 4.2 (Х„) элементов, образующих верхнюю ветвь моста, и двух последовательно соединенных однородных образцовых двухполюсников

5 (R„) и 6 (R ), образующих нижнюю ветвь моста. 40

На векторных диаграммах (фиг ° 2 и 4) приняты следующие обозначения: вектор напряжения питания мостовой цепи; вектор падения напряжения, снимаемого с образцового двухполюсника 5; фазовый сДвиг вектоРа Ucd относительно вектора U d вектор падения напряжения на активном элементе исследуемого двухполюсника; вектор пацения напряжения на реактивном элементе исследуемого двухполюсника; вектор напряжения небаланса мостовой цепи;

60 2

U c — вектор падения напряжения на образцовом (исследуемом) двухполюснике при последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюсника;

ОсЬ вЂ” вектоР падениЯ напРЯжениЯ на исследуемом (образцовом) двухполюснике при последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюсника;

f — ток в верхней ветви моста; ток через активный элемент 4.1 исследуемого двухполюсника при его параллельной схеме замещения; — ток через емкостной эле2 мент 4.2 исследуемого двухполюсника 4 при параллельной схеме замещения;

4 — фазовый сдвиг вектора

U, относительно вектора 1 ас

К вЂ” коэффициент деления нижней ветви моста.

Устройство для измерения параметров двухэлементных двухполюсников содержит (фиг. 5) генератор 1 синусоидального напряжения, подключенный параллельно к диагонали питания мостовой измерительной цепи 2, одна ветвь которой составлена из последовательно соединенных образцового 3 и исследуемого 4 двухполюсников, а другая — из последовательно соединенных однородных образцовых двухполюсников 5 и 6, два блока 7.1 и 7.2 согласования, подключенные к входам блока 8 разности, усилители-ограничители 9 ° 1-9.3, которые своими выходами подключены к входам элементов 10.1 и 10,2 ЗАПРЕТ, выходы которых подключены к входам блоков 11. 1 и 11.2 преобразования временных интервалов в цифровой код, информационные выходы которых через интерфейс соединены с микроЭВМ 12, которая шиной соединена с блоком 13 индикации.

Для определения параметров пассивного комплексного двухполюсника, имеющего нерезонансный характер, на диагональ питания мостовой измерительной цепи с генератора 1 подается напряжение питания, изменяющееся по синусоидальному закону.

R,Z "- R,Rî (10) Rx IUcc!

R0 !Оас! (4) (s) Х, I V«l К -sinч

R lU,! (7) !

Пад! К così

lU„l

1); (8) IU>gI K sin w х а !Пасl (9) ! Пас !

sin(7- + (2т- q)j

50 отсюда! Паи - sin(2i>- q)

sinPq + (2Т -q)) (12) 55

3 13

Используя закон Ома для участка цепи, расположенной в верхней ветви моста, при последовательной схеме замещения исследуемого двухполюсника (фиг. 1) можно записать:

П ь П Uct Ucf 4ь ю

Zg Rõ Ху где ZE Rá,+Zõ., Ех =Кх+Х„.

Из векторной диаграммы (фиг. 2) с учетом того, что вектор напряжения питания U„y есть U d К вЂ” в силу однородности образцовых элементов 5 (R„) и 6 (R ) нижней ветви, следует:

lUcgl =!П созц — IU„ t =!О„ К" созц — !0„,, (2) lU I,l= (Оаь! sins = IU gl К- зепи . (3

С учетом (I) можно записать:

Перепишем уравнения (4) и (5) с учетом уравнений (2) и (3) и будем иметь

К IU d К cos м !Бай!

Приведенные уравнения отсчета параметров двухполюсников, полученные с использованием амплитудно-фазовых соотношений между сигналами, снимаемыми с мостовой измерительной цепи, позволяют существенно уменьшить методическую погрешность от конечного значения импедансов блоков согласования, так как в уравнения не входят напряжения, снимаемые с образцового и исследуемого двухполюсников.

Шунтирование же блоками согласования измерительной диагонали моста

?0760 4 для снятия напряжения небаланса U, и части напряжения питания U» проявляется пс сравнению с прототипом в меньшей степени. Это объясняется тем, что когда в неуравновешенном мосте при условии R R модули R и 7., од

) ного порядка (R, как образцовый элемент служит для выбора предела измерения), тогда можно записать прибли10 зительно следующее равенство:

Это означает, что напряжение не

15 баланса U О, т.е. Z, О.

Условие (10) тем точнее выполняется, чем ближе Z„ R,, т.е. отсюда следует, что шунтирование со стороны блока согласования измерительной диа) р гонали моста проявляется в меньшей степени, чем в случае шунтирования исследуемого либо образцового двухполюсников.

Кроме того, плечи нижней вети

25 могут быть выбраны низкоомными (например, трансформатор питания), а следовательно, при снятии напряжения

U эффект шунтирования также несущественен.

Однако при использовании амплитудно-фазовых соотношений между сигналами, снимаемыми с измерительной цепи, точность измерения определяет35 ся не только стабильностью амплитуд напряжений, но и фазовых сдвигов между ними.

Использование только фазовых соот40 ношении между сигналами позволяет дополнительно повысить точность изме. рения параметров комплексных двухполюсников °

Из векторной диаграммы (фиг. 2)

45 согласно теореме синусов следует

Решая уравнения (8) и (9) с учетом (12), получим отсчет параметров комплексных двухполюсников в следующем виде:

1320760 (13) 4 г f R (14) (15) (16) (18) когда индуктивный: (19) R

4 f sin (20) 45

2cos y ° sin (ч +(2« -4 )) —;г;гт-ч — ":

1 я1п(2« - )

f0

В случае, когда схема замещения исследуемого двухполюсника имеет индуктивный характер, Rv Ro

2cos (2 « -ч ) я1пГ(2 « — v )+ г)

1), sin

Во sin(2« — ) sin ((2 — с )+v) к sing

Векторная диаграмма напряжений и токов мостовой измерительной цепи при параллельной схеме замещения исследуемого двухполюсника (фиг. 3) представлена на фиг. 4.

В случае, когда схема замещения имеет емкостной характер, 30

1 Я1П Ч 2 cos(27i -V) sini(2 i-ч )+ )-я1п (17)

С

1 sin(2 -u ) sin((2« -ì)+÷) х fR sin a 35 о

1 s1п(2«-4) 2 cos y. sin(ad+(2«-4) -sin(2li-p)

Полученные уравнения отсчета параметров комплексного двухполюсника, выполненного как по последовательной, 50 так и по параллельной схеме замещения, с использованием фазовых соотношений между сигналами,. снимаемыми с измерительной цепи, позволяют реализовать универсальное устройство для измерения параметров комплексных двухполюсников по любой схеме замещения беэ перестройки структуры устройств.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение небаланса U z (фиг, 5 и 6) мостовой цепи 2 через блок 7.1 согласования поступает на один из входов блока 8 разности, на другой вход которого подается через блок

7.2 согласования U, снимаемое с образцового двухполюсника 5, которое одновременно подается и на вход усилителя-ограничителя 9.3. Разностное напряжение U на образцовом (исследуемом) двухполюснике 3 при последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюсника 4, ограниченное по амплитуде усилителем-ограничителем 9.2„ подается на один из входов элемента 10.2

ЗАПРЕТ, на другой вход. которого подается напряжение U, ограниченное по амплитуде на усилителе-ограничителе

9.3. В результате на выходе элемента 10.3 ЗАПРЕТ сформируется сигнал, представляющий собой импульс прямоугольной формы с длительностью, пропорциональной фаэовому сдвигу, величина которого в виде цифрового кода с блока 11.2 преобразования временных интервалов в цифровой код подается по шине на микроЭВМ 12.

Напряжение небаланса U „, ограниС ченное по амплитуде усилителем-ограничителем 9.1, поступает на один из входов элемента 10,1 ЗАПРЕТ, на другой вход которого подается напряжение, ограниченное по амплитуде усилителем †ограничител 9.3. В результате на выходе элемента 10.1 ЗАПРЕТ сформируется сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу 2«-9, величина которого в виде цифрового кода с блока

11.1 преобразования временных интервалов в цифровой код поступает по шине на микроЭВМ 12, которая производит математическую обработку сигналов по программам, составленным в соответствии с уравнениями (13)-(20) и выдачу результатов на блок 13 индикации.

Формула изобретения i. Способ измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных двухполюсников, заключающийся в подаче напряжения питания на мостовую измерительную цепь, измерении напряжения Heáàëäícà на измерительчой диагонали мостовой измерительной цепи

1320760 з1п(2» — ) 1

47ЕКо

1

R» Ro g

С =

Tif Ro

sin q

Rî

"х 4 Е где Ч

7 и формировании сигнала, пропорциональнoI î падению напряжения на образцовом (исследуемом) двухполюснике при последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюс- 5 ника мостовой измерительной цепи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, формируют дополнительный сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу на- 10 пряжения небаланса относительно напряжения питания, формируют второй дополнительный сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу напряжения на образцовом (исследуемом) двухпо- 15 люснике мостовой измерительной цепи относительно напряжения питания, а отсчет параметров исследуемого двухполюсника осуществляют при последовательной схеме замещения исследуе- 20 мого двухполюсника емкостного характера по формулам — индуктивного характера — по формулам

Rx=Ro (2cos (2»-÷) з1п ((2н -ч )+ч3

1);

S1nL (. ), Ro sin(2I< — Ч) з1п((2»-4)+ х T!f s1n g а при параллельной схеме замещения емкостного характера — по формулам

$1П М 40

cos 2» -w) sint: 2T -w + 43

s in (2 II -Ч ) s in ((2 II — Ч )+ V) — индуктивного характера — по. формулам

R s in (2Г-ч)

2 cosy sinew+(2n-q)3 -sin 2s<-Y) s in (2 II Ч)

$1 фазовый сдвиг напряжения небаланса относительно напряжения питания; 55 фазовый сдвйг напряжения на образцовом (исследуемом) двухполюснике относительно напряжения питания;

К вЂ” сопротивление образцового двухполюсника;

f — частота напряжения питания мостовой цепи.

2. Устройство для измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных двухполюсников, содержащее генератор синусоидально)-о напряжения, подключенный к диагонали питания мостовой измерительной цепи, первая ветвь которой состоит из последовательно соединенных образцового двухполюсника и двух клемм для подключения исследуемого двухполюсника, два блока согласования, при этом первый вход первого блока согласования подсоединен к первому выводу генератора синусоидального напряжения и первого вывода первого образцового (исследуемого) двухполюсника при последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюсника, а второй вход первого блока согласования соединен с общей шиной, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью повышения точности измерения, в него введены блок разности, три усилителя-ограничителя, два элемента ЗАПРЕТ, два преобразователя временных интервалов в код, микроЭБИ, блок индикации, вторая ветвь мостовой измерительной цепи, составленная из последовательно соединенных двух однородных образцовых двухполюсников, первые выводы которых подключены к первой вершине измерительной диагонали мостовой цепи, соединенной с общей шиной, при этом вторые выводы образцовых двухполюсников соединены с вершинами диагонали питания мостовой измерительной цепи соответственно, гервый вход второго блока согласования соединен с второй вершиной измерительной диагонали мостовой цепи, к которой также подключены второй вывод первого образцового двухполюсника и одна из клемм для подключения исследуемого двухполюсника, а второй вход второго блока согласования соединен с.общей шиной, выход первого блока согласования соединен с первым входом блока разности и через первый усилитель-ограничитель с первыми входами первого и второго элементов ЗАПРЕТ, выход второго блока согласования соединен с вторым входом блока разности и через второй усилитель-ограничитель с вторым входом второго элемен132076 та ЗАПРЕТ, а выход блока разности через третий усилитель-ограничитель соединен с вторым входом первого зле мента ЗАПРЕТ, выходы элементов ЗАПРЕТ соединены соответственно с вхоо о дами преобразователей временных интервалов в цифровой код, информационные шины которых подключены к интерфейсу микроЭВМ, шина которой соединена с блоком индикации.

Составитель В. Семенчук

Редактор Г. Копча Техред M.Õoäàíè÷ Корректор В. Бутяга

Заказ 2456/49 Тираж 730 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4