Способ измерения параметров резонансных четырехэлементных двухполюсников мостом переменного тока

 

Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров четырехэлементных двухполюсников по восьми возможным RCCL схемам замещения, в которых один из элементов , конденсатор или индуктивность, образует с остальной частью схемы замещения либо параллельное, либо последовательное соединение. Изобретение позволяет ускорить процесс уравновешивания по четырем параметрам .. .i.«- при измерении параметров резонансных четырехэлементных двухполюсников путем исключения операции определения характера соответствия между знаками отклонения добротности и реактивной составляющей тока разбаланса на второй заданной частоте. На чертеже по-. казана схема моста, реализующего предложенный способ, при измерении параметров резонансного четырехзлементного CGRL двухполюсника, в схеме которого один из элементов образует с остальной частью схемы параллельное соединение . Схема моста содержит плечо 2 сравнения и плечо 8 измерения, фа- - зочувствительный нуль-индикатор 13, ключ 6, переключатель 7 и RGCL-элементы. Способ характеризуется широкими , пределами значений измеряемых параметров резонансных четырехэлементных двухполюсников, поскольку в качестве образцовых элементов пАеча сравнения могут быть использованы многодекадные магазины емкостей, активных сопротивлений и-индуктивностей. 4 иЛ. 3 & (Л ° 1 и.Л. i JL -. i {7 00 о -ч1 а

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) g G 01 R 17/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ДВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕКИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4178543/24-21 (22) 12.0 t 87 (46) 07. 11.88. Бюл. ¹ 41

° (71) ульяновский политехнический институт (72) А.А.Тюкавин (53) 621.3 17.733(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № t320761, кл. G 01 R 17/10, 1985. (54} СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАНСНЫХ ЧЕТЫРЕХЗЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ МОСТОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электрорадиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров четырехэлементных двухполюсников по восьми возможным RGCL схемам замещения, в которых один из элементов, конденсатор или индуктивность, образует с остальной частью схемы . замещения либо параллельное, либо последовательное соединение. Изобретение позволяет ускорить процесс уравновешивания по четырем параметрам

„„SU„„1436076 при измерении параметров резонансных четырехэлементных двухполюсников путем исключения операции определения характера соответствия между знаками отклонения добротности и реактивной составляющей тока разбаланса на второй заданной частоте. На чертеже по-, казана схема моста, реализующего предложенный способ, при измерении параметров резонансного четырехэлементного CGRL двухполюсника, в схеме которого один из элементов образует c остальной частью схемы параллельное соединение. Схема моста содержит плечо

2 сравнения и плечо 8 измерения, фа- зочувствительный нуль-индикатор 13 @

) ключ 6, переключатель 7 и RGCL-элемен- фф ты. Способ характеризуется широкими . пределами з)качений измеряемых парамет. С„ ров резонансных четырехэлементных двухполюсников, поскольку в качестве образцовых элементов плеча сравнения могут быть использованы многодекадные магазины емкостей, активных сопротив- 4 лений и индуктивностей. 4 ил. СФ

1436076

Изобретение относится к электрорадиЬизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров четырехэлементных двухполюс5 ников по восьми возможным CGRL схемам

50 замещения, в которых один из .элементов образует с остальной частью схемы замещения либо параллельное, либо последовательно соединение. 10

Цель изобретения — повышение быст» родействия процесса уравновешивания по четырем параметрам при измерении параметров резонансных четырехэлементных двухполюс.ников путем исключения операции определения характера соответствия между знаками отклонения добротности и реактивной составляющей тока разбаланса на второй заданной частоте. 20

На фиг, 1 изображена схема моста, реализующего способ при измерении параметров резонансного четЫрехэлементного CGRL двухполюсника, в схеме которого один из элементов образует с остальной частью схемы параллельное соединение; на фиг. 2 — схемы других резонансных четырехэлементных. двухполюсников, параметры которых могут быть измерены по предлагаемому способу; на фиг. 3 — частотный годограф выходного тока плеча измерения, а также векторные диаграммы этого тока на двух частотах и его составляющих; на фиг. 4 — векторная диаграмма

35 выходного тока плеча сравнения и его составляющих, поясняющая процесс, уравновешивания.

Схема моста содержит плечо 1 сравнения, конденсатор 2, переменная емкость (С) которого является первым

Э регулируемым параметром, резистор 3, переменная проводимость (С) которого является вторым регулируемым параметром, последовательно соединенные резистор 4, переменное сопротивление (R) которого является третьим регулируемым параметром плеча 1, и магазин 5 индуктивностей, переменная индуктивность (L) которого является четвертым регулируемым параметром плена 1 сравнения, ключ 6, переключатель 7, плечо 8 измерения 9 (С ), 10 (G» ), 11 (R«), 12 (L, ) — эле-, менты схемы замещения, соответственно, емкость 9(С ), активная проводи55 мость 10 (С,о), активное сопротивление 11 (К „, ) и индуктивность 12 (L )j фазочувствительный нуль-индикатор 13 с малым входным сопротивлением, к измерительному входу 14 которого подJ ходит ток раэбаланса моста Ь I

Т, а на опорный вход 15 подается опорное напряжение U „, сдвинутое при уравновешивании моста по о четырем параметрам на 90 относитель но.напряжения питания б ; зажимы 1622,; вершины 23 и 24 измерительной диагонали, I -Х4 - токи, протекающие через конденсатор 2, резистор 3 и ветвь с резистором 4 и магазином 5 индуктивностей Т вЂ” Т„ — токи, протекающие по ветвям плеча 8 измерения

4 с элементами 9-12; I,, I — выходные токи плеч 1,8; U - U — напряжения питания,,снимаемые с вторичных обмоток трансформатора с тесной индуктивной связью, причем

U @ = u 4 », U jU» »= co » u» г где (d» — Q> — .числа витков, напряжения

U, U. синфаэные, а напряжение U: противофазно

U», На фиг..2 обозначено: конденсатор (С ), параллельно включенный смешанному соединению резистора 26 (R<6) ° резистора 2? (С ), индуктивности 28

° индуктивность 29 (Т ) ° включенная последовательно со смешанным соединением резистора 30 (R„), резистора 31 (С,), конденсатора 32 (С, ); индуктивность 33 (L>>), включенная последовательно со смешанным соединением резистора 34 (С 4), резистора 35 (R ), конденсатора 36 (С 6), индуктивность 37 (L 7), парал лельно включенная смешанному соедине-нию резистора 38 (G e), конденсатора

39 (С. ), резистора 40 (R< ),,индуктивность 41 (Т,,), .включенная параллельно смешанному соединению резистора 42 (R4 ), резистора 43 (С ), конденсатора 44 (С ); конденсатор

45 (С4 ), включенный последовательно— со смешанным соединением резистора

46 (R ), резистора 47 (G4 ), индуктивности 48 (L4<); конденсатор 49 (С 4>) включенный последовательно со смешанным соединением резистора 50 (G ), индуктивности 51 (L >,), ре; зистора 52 (R . ) .

На фиг. 3 обозначено РАщ А — частотный годограф выходного тока плеча 8 измерения, ГВ „ Вд — частот ный годограф тока I«, протекающего

3 143607 по ветви с резистором R«и индуктивностью L, плеча 8 измерения, А„,, А — положениЯ конца вектоРа Ij!(cI) ) на его годогра е на часФотах д,, у точки а,, а»о — проекции концов векТора It)j ((д ) Ia (сд») на ось Веществен ных чисел, совпадающую по направлению с вектором U».

На фиг. 4 обозначено: OD; — вектор,10

1 изображающий ток I при проведении з

i-й операции связанного регулирования, F;B„ В», D; - частотный годограф тока

I а 17; В„, D B — векторы этого тока на частотах И,, у» при указан- 15 ной i-й операции, В „, А,, В; А, векторы тока I на частотах g, с)» при проведении i-й операции, ОА„,, ОХ вЂ” векторы тока I на частотах

»( с)д,Я, при i-й операции, А А»; — ток 20 разбаланса при i-й операции на частоте 63», Мост (фиг. 1) описывается следующим уравнением равновесия:

И, (G + j,с ) =

= Uz(ReY>(D),)+jI Y>(CR,)J (6) (GfY+ Q С")

= и (Ке) (а )+jI„YS (CD,)) . (7) где Y< (Q,), У (сд») — комплексная прозодимость плеча 8 измерения на часто) те а, и с)».

Значения С, G" С, С первого и второго параметров плеча сравнения, соответствующие значениям составляющих комплексной проводимости объекта измерения, отсчитываются и запоминаются.

Переключатель 7 в плече 1 сравнения при предварительных уравновешиваниях находится в верхнем положении, если агд сО, и в нижнем положении, если argI - О. В выражениях (6) и (7) принято с )(= са, т.е. U> -U< .

Знак "плюс" в левых частях равенств (6) и (7) соответствует нижнему поII ложению переключателя 7, а знак минус" — верхнему положению переключателя 7.

Далее проводят операции уравнове шивания по четырем параметрам С, G, R, L. Переключатель 7 при этих опе рациях находится в нижнем положении, ключ 6 замкнут. Мост питается напряжением частоты сд, à U „ )0»

:(фиг. 4) °

При укаэанных операциях проводят связанные регулировки паРаметров R, С, L G. При этом используются эави25

Ф + С о +

R,„+ juL „»

1 ) К+ 1ЯЬ Ц

- -(3саС + С +

U»

Ю

C„= -„С,, И» (2) 40 с(ъ (1 Со э (3) И (о у Ro >

1 (4) Я» ь, ( (5) где С, С, R» L< — отсчитываемые симости значения Регулируемых паРаметров С, С, R, Ь плеча 1 сравнения по окончании измерения, Измерение параметров четырехэлементного двухполюсника проводят сле( дующим образом.

55 С; = 1+, С

После подключения объекта измере- ca< R; 71+Q .,)— ния к зажимам 17 и 21 на частотах

Q и О», являющихся заданными при разомкнутом ключе 6 регулировками 1; = R!Q(IЯ(!

Я2 (1-К2)

))(G(1+Qг ) (1+!(; QГ) э (8) (9) (1O) Если уравнение (!) не нарушается с изменением частоты и, мост (фиг..1) находится в частотно независимом состоянии равновесия и производится определение измеряемых параметров по 35 формулам

4 первого параметра С и второго параметра G плеча 1 сравнения проводятся два предварительных уравновешивания моста, (При регулировке С или С подается опорное напряжение U „ U» или

U = jU ). По окончании предвари тельных уравновешиваний моста имеют место равенства (фнг. 3) (14) 1

+ — — — — ) R, +)Я,L

-Т Ьт (а.)

KU QG (12) после подстановки выражений (8)-(11) записывается как

5 1436076 8 не равна нулю (с погрешностью, опреG = С

R (1+02) (»)

1 деляемой порогом чувствительности фа1 зочувствительного нуль-индикатора

I ° 13), проводится третья операция при где ЬС С" — С; i — номер операции - 5

Q; - Q,L /R - добротность ветви пле0 = 0 — ЬЦ, где ЬЯ - отклонение E.

4 9 добротности 0 в конце второй операча сравнения с третьим и четвертым ции и т.д. его параметрами на частоте (,), 9 К

Процесс уравновешивания по четы91 11 10 рем параметрам заканчивается при поВ Формуле (9) знак плюс перед лучении равенства (с указанной поС . ставится, если argI (63 ) > О. (т.е. грешностью) если при предварительном уравновешивании на частоте ц; переключатель 7 находится в нижнем положении) . Если

Т„ „ Т (1) = О же argIg (д,) с О, ставится "минус".

Модуль I ЬТ {{Ь ) равен модулю

L; G по показаниям фазочувствитель- 2

При.этом мост (фиг. 1) находится ного нуль-индикатора 13, реагирующего в частотно независимом состоянии равна знак и модуль реактивной составляющей тока разбаланса (фиг. 4), в кон- 2р нов есия °

При проведении i-й операции ток це i-й операции определяется знак и плеча сравнения на частоте Q, размер отклонения Я, где Q = М, L /R т.е. значение дoh1 ротности ветви с параметрами R L в

I (Ы,) =U (С+ МС;+

1 1 1 1 1 конце измерения. При этом используется зависимость

-а,{C"-КС )

ill КЬД (13) В формуле (13) значение С положи1 тельно (отрицательно), если argI< (М)) 0 (агдЕЬ(О,) .(Oj. Аналогично значение С" полоямтельно {отрицательно), если агяТ {о ) - "О, (агре (у ) "- О)

По значению Q 1 = („при первой операции определяются значения К;9

C(9 L „G,(формулы (8)-(11). После установки этих значений определяется имеющее место отклонение 6Q e = Qe

--Ч, {выражение (12) по Т„,ЬТ{од).

Вторую (i = 2) операцию проводят при Q = Q < — Щ < аналогично первой.

Если по окончании .второй операции реактивная составляющая Т ЬТ (Я,) где Ь I,{g ) — ток разбаланса в конце

-- i-й операции.

Первую. (i =. 1) операцию связанного регулирования проводят при максимальном значении добротности Я„ ветви плеча сравнения .с параметрами

R, L на частоте у,. Значение Ч является либо заданным, либо определяется по Формуле

I,(Q,) = U,(G+j(a,С ), (16) что совпадает с равенством (6).

35 Следовательно, мост на частоте Я, при выставленных значениях R;, С;, L, G в конце каждой операции находится в состоянии равновесия. При переводе моста с частоты Q; на часто"

4О ту Я изменение активной составляющей тока I равно изменению активной сос-.

I тавляющей тока Е 9 т.е.

ReI, (Я ) — ReI, (у,) (17) Подставив в (17) .выражение {8), 5О получают равенство (18 ) ReI, (у ) - ReI, {Q,) U, ЬС

Таким образом, мост на частоте Я

55 уравновешен по активной составляющей тока разбаланса в конце каждой опера- ... ции уравновешивания по четырем параметрам R, С, L, С. По получений равенст(19) Q ;=Q,,я (см. равенства (17), (18) (20) Rj Rp

Из равенств (19) и (20) следует, что в конце описанного уравновешивания (21) Ь„= Ьс.

При выполнении равенств (19)-{21) очевидно, что для уравновешенного моста справедливы и равенства

7 14 ва (14} мост (фиг. 1) на частоте о уравновешен также по реактивной составляющей тока разбаланса, т.е. оказывается уравновешенным .и на частоте

Ю,, и на частоте c0 . Поскольку при этом aQ; = О, то

36076

8 са уравновешивания, содержащего два ,.предварительных уравновешивания моста на частотах Я, и сд регулировками

С = var, G = var, а также операции связанного регулирования параметров

С, G, R, L по значениям реактивной составляющей тока раэбаланса Х ЬХ; (Q) в соответствии с формулой (12) и выражениями (8) -(11) найденные значения С, G ю, R Ь по формулам (20) -(22) и (2) -(5) пересчитываются в значения параметров схемы (фиг,2а) .

При этом используют соотношения

15 (23) (24)

20 +7= G o (1+G pкц ) 3 (25) (26) C; =C; G; =G (22) 25

Итак, по достижении равенства (14) мост (фиг. 1) находится в частотно независимом состоянии равновесия, отсчитываются значения Ro> Co> С, Lp 30

rro формулам (20)-(22} и определяются измеряемые параметры по Формулам (2)(5) .

Число операций связанного регулирования составляет 3-4, т.е. примерно в три раза меньше, чем.у прототипа.

В схеме моста (фиг. 1) ветвь с элементами 4 и 5 (резистором (R) и магазином индуктивностей (L)) может быть заменена Т-образной цепью, в которой продольные плечи содержат резисторы, а в поперечное плечо включены парал1 лельно соединенные конденсатор переменной емкости и резистор переменно- 45 го сопротивления, параметры которых являются третьим и четвертым параметром цепи сравнения моста. Одно продольное плечо этой Т-цепи подсоединено к источнику напряжения У,, другое — к вершине 23 измерительной диагонали.

Мост (фиг ° 1), реализующий предлагаемый способ, может быть использован для измерения параметров резонансного

CGRL.äâóõïîëþñíèêà (Фиг. 2а), который ,включается в плечо 8 моста. Плечо 1 сравнения при этом имеет ту же схему, что и на фиг. 1. По окончании процес(27) Ь4, = Lì

4а = R4o (1+G qR4p) 3 (28) С44 = С 9 1+С 8 4о ь (29) (30) G4> ЪЬ(36 40) По предлагаемому способу возможно измерение параметров резонансных являющиеся условиями эквивалентности схемы CGRL (фиг ° 1) схеме CRGL . . (фиг. 2а) .

По предлагаемому способу возможно измерение параметров резонансных двухполюсников по схемам (Фиг, 2б,в), поскольку эти схемы дуальны соответственно схеме ССКЬ двухполюсника на фиг. 1, а также схеме (фиг, 2а).

По предлагаемому способу возможно измерение параметров резонансных

LGRC двухполюсников (фиг. 2г), поскольку частотный годограф такого двух полюсника является зеркальным изображением частотного годографа CGRL двухполюсника (фиг. 1) в плече 8 измерения (если, переменную Q заменить на Я ) .

При измерении параметров двухполюс. ника (фиг . 2д) по предлагаемому способу используются условия эквивалентности между ним и двухполюсником (фиг. 2г), по схеме которого выполняется плечо сравнения, записываемые как

143607 четырехэлементных двухполюсников (фиг,. 2е,ж), поскольку эти двухполюсники дуальныдвухполюсникам (фиг.2г,д), Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить измерения параметров резонансных четырехэлемент.ных двухполюсников по восьми схемам, в которых один из элементов (или кон- 1 денсатор, или индуктивность) образует с остальной частью схемы двухполюсника либо параллельное, либо последовательное соединение, при любых соотношениях между измеряемыми пара метрами.

Измерения по предлагаемому способу характезируются высокой точностью, поскольку он является нулевым способом и погрешность измерения определяется в основном погрешностью образцовых элементов плеча сравнения, а также характеризуются широким час" тотным диапазоном, поскольку мост (фиг. 1), реализующий способ, являет- 26 ся трансформаторным мостом, у которого имеется общая заземленная точка у индикатора и обмоток трансформатора, используемых в качестве источников напРЯжениЯ U, U, бэ, т.е. имеет Щб хорошие помехозащитные свойства.

Измерения по предлагаемому способу характеризуются широкими пределами значений измеряемых параметров резо. нансных четырехэлементных двухполюс-.

35 ников, поскольку в качестве образцовых элементов плеча сравнения могyr быть использованы многодекадные магазины емкостей, магазины активных сопротивлений И магазины индуктивностей. Для расширения пределов измерения каждая ветвь плеча 1 сравнения (фиг. 1) может быть подключена к вторым обмоткам трансформатора с тесной индуктивной связью с разным чис" лом витков. Ветвь с регулируемой ин» дуктивностью может быть заменена Тцепью, состоящей из R С элементов.

Индуктивность в плече сравнения

{фиг. 2г) может быть заменена элект- Б< ронной схемой на основе операционного усилителя.

Измерения по предлагаемому способу характеризуются малой продолжительностью, поскольку число операций (или 5 число тактов уравновешивания) процесса уравновешивания по четырем параметрам равно 3-4. Длительность каждой из этих операций благодаря прос6

10 тоте расчетных выражений (8)-(11), (12) невелика. В случае использования микропроцессора для проведения вычислительных операций по указанным формулам длительность одной операции уравновешивания, т.е. такта уравновешивания, может составить 100-150 мс.

Время процесса уравновешивания по четырем параметрам за 3-4 операции (0,3-0,5 с}. снижается при использовании микропроцессоров, характеризующихся меньшим временем проведения арифметических действий. При предварительных уравновешиваниях„ проводимых по двум параметрам, мост (фиг.1) характеризуется таким же быстродействием, что и известные мосты, предназначенные для измерения параметров двухэлементных комплексных сопротивлений и проводимостей, т,е, временем достижения состояния равновесия, составляющим доли секунды.

Предлагаемый способ может быть использован для разработки на его основе мостов переменного тока, предназ наченных для измерения параметров однослойных соленоидов, воспроизводящих единицы индуктивности, для которых имеет место схема замещения (фиг. 1) для измерения влажности материалов с помощью индуктивных датчиков„ схема замещения которых совпа дает со схемой плеча 8 на фиг, 1, для измерения параметров электростатических преобразователей при учете активного сопротивления и индуктивности кабеля (фиг. 2б), а также измерения параметров других объектов, за- мещаемых ССИ. или .СКГ схемой. формулаизобретения

Способ измерения параметров резонансных четырехэлементных двухполюс-, ников мостом переменного . тока, заключающийся B том, что проводят два предварительных уравновешивания моста по первому и второму параметрам плеча сравнения для определения значений активной и реактивной составляющих комплексной проводимости плеча измерения на первой и второй заданных частотах, по найденным значениям указанных составляющих уравновешивают мост при заданном значении добротности на первой заданной частоте вет ви плеча сравнения путем связанного регулирования третьего и четвертого

11 1436076 параметров плеча сравнения, опреде- вания моста по четырем параметрам ляют активные составляющие выходных уравновешивания на второй заданной токов плеч измерения .и сравнения при частоте, проводят многократно, изме. каждой совокупности выставленных зна- няя значение параметров плеча срав5 чений параметров плеча сравнения на нения с учетом знака и модуля реак второй заданной частоте, о т л и- тивной составпякнцей тока разбаланса ч.а ю шийся тем, что, с целью моста на второй заданной частоте до повышения быстродействия уравновеши- достижения равенства ее нулю.

1436076

1436076

Составитель В.Семенчук

Редактор А.Шандор Техред М.Дидык Корректор А.Обручар

Заказ 5644/46

Тираж 772 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