Способ дистанционного измерения относительной величины активного сопротивления электрической цепи и устройство для его осуществления

Предложенное изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля электрических цепей измерительных комплексов или технологических процессов при экспресс-контроле их параметров и оценке работоспособности указанных объектов. Данное изобретение направлено на повышение быстродействия способа дистанционного измерения активного сопротивления электрической цепи при наличии в ней емкости, обеспечивая при этом неизменность напряжения в контролируемой цепи. Устройство для дистанционного измерения относительной величины активного сопротивления электрической цепи содержит соединительную линию, масштабирующий резистор с известным значением сопротивления, входные зажимы измеряемого сопротивления подключены к выходу соединительной линии, стабилизатор постоянного напряжения, выполненный на операционном усилителе и выходном транзисторном каскаде, транзисторный каскад, эквивалентный по параметрам и схемотехническому исполнению выходному каскаду стабилизатора напряжения, дифференциальный усилитель и вычислительное устройство или электронная вычислительная машина с портом ввода аналоговой информации. Описанное устройство также реализует соответствующий способ дистанционного измерения относительной величины активного сопротивления электрической цепи. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля электрических цепей измерительных комплексов или технологических процессов при экспресс-контроле их параметров и оценке работоспособности.

Известен способ дистанционного измерения активного сопротивления, например, терморезистора, соединенного с измерителем 4-проводной линией связи. Через резистор пропускают стабильный ток по двум проводам от источника тока, а с помощью двух других проводов дистанционно измеряют падение напряжения на этом резисторе. Сопротивление резистора определяют как отношение измеренного напряжения к величине заданного тока [1].

Известен также способ дистанционного измерения активного сопротивления и устройство для его осуществления [2], принятый в качестве прототипа, в которых через последовательно соединенные измеряемый и масштабирующий резисторы пропускают фиксированный по величине ток. Измеряют падения напряжения на резисторах и определяют отношение этих величин. Результат получают умножением сформированного отношения на величину известного сопротивления масштабирующего резистора.

Недостатком названных способов является то, что при пропускании через контролируемую цепь фиксированного по величине тока на ней возникает падение напряжения, пропорциональное измеряемому сопротивлению. При больших значениях измеряемого сопротивления это напряжение может превысить допустимое значение и вывести контролируемую цепь из строя. Поэтому, если заданы ограничения на допустимую величину падения напряжения на контролируемой цепи, приходится снижать силу тока в этой цепи до десятков мкА уже в тех случаях, когда сопротивление цепи достигает нескольких мОм или даже долей мОм. Однако такой подход в свою очередь приводит к другому нежелательному эффекту. При дистанционном измерении сопротивления, к этому сопротивлению оказывается подключенной емкость проводов, соединяющих сопротивление с измерителем. Емкость может быть обусловлена и непосредственно наличием конденсатора в измеряемой цепи, когда, например, контролируется сопротивление утечки выходных цепей источников питания при оценке их работоспособности. Согласно известному способу измерения величина активного сопротивления контролируемой цепи может быть определена только по окончании переходного процесса в этой цепи, когда емкость цепи полностью зарядится и ее шунтирующее действие на измеряемое сопротивление закончится. Следовательно, при уменьшении тока в контролируемой цепи уменьшается и ток заряда емкости, что приводит к затягиванию переходного процесса и процесса измерения в целом.

Следует также иметь в виду, что значительная часть тока при заряде емкости стекает через активную составляющую измеряемого сопротивления, замедляя тем самым переходной процесс еще более. Все это приводит к увеличению длительности процесса измерения, что особенно критично при экспресс-контроле электрических цепей.

Цель предполагаемого изобретения - повысить быстродействие способа дистанционного измерения активного сопротивления электрической цепи при наличии в ней емкости, обеспечивая неизменность напряжения на контролируемой цепи. Цель достигается тем, что в способе, при котором пропускают ток через масштабирующий резистор известной величины и измеряемое сопротивление, подключаемое к измерителю с помощью соединительной линии, согласно заявляемому способу измеряемое сопротивление и масштабирующий резистор соединяют параллельно и подключают к стабилизатору напряжения, с помощью которого поддерживают на этих сопротивлениях заданную величину постоянного напряжения. Выполняют дополнительно транзисторный каскад, эквивалентный по параметрам и схемотехническому решению выходному каскаду стабилизатора напряжения,но содержащий в коллекторной цепи только сопротивление, равное по величине сопротивлению масштабирующего резистора. Определяют разность напряжений между выходом стабилизатора напряжения и коллектором транзистора эквивалентного каскада. Подают значение этой разности на вычислительное устройство или электронную вычислительную машину с портом ввода аналоговой информации, куда также подают заданное значение напряжения на выходе стабилизатора и значение его статического параметра, характеризующего соотношение между напряжением стабилизации и напряжением питания измерителя. С помощью вычислительного устройства или вычислительной машины определяют в установившемся режиме относительное значение активного сопротивления измеряемой электрической цепи в соответствии с математическим выражением:

R_Х/R_m=L(U_С-ΔU)/ΔU;

где R_Х - активное сопротивление измеряемой цепи;

R_m - известная величина сопротивления масштабирующего резистора;

U_С - выходное напряжение стабилизатора напряжения;

ΔU - разность напряжений между выходом стабилизатора напряжения и коллектором транзистора эквивалентного каскада;

L=(U_П-U_С)/U_П - статический параметр стабилизатора напряжения;

U_П - напряжение питания измерителя.

В устройство, содержащее соединительную линию с выходными зажимами, подключенными к измеряемому сопротивлению, и масштабирующий резистор с известным значением сопротивления, согласно предполагаемому изобретению дополнительно вводят стабилизатор постоянного напряжения, выполненный на операционном усилителе и выходном транзисторном каскаде, транзисторный каскад, эквивалентный по параметрам и схемотехническому исполнению выходному каскаду стабилизатора напряжения, дифференциальный усилитель и вычислительное устройство с входом ввода аналоговой информации или электронную вычислительную машину с портом ввода аналоговой информации. Причем измеряемое сопротивление подключают с помощью соединительной линии параллельно масштабирующему резистору в коллекторную цепь выходного транзисторного каскада стабилизатора напряжения. В коллекторную цепь эквивалентного каскада включают сопротивление, равное по величине сопротивлению масштабирующего резистора. Базу транзистора эквивалентного каскада соединяют с базой транзистора выходного каскада стабилизатора напряжения. Коллектор транзистора эквивалентного каскада соединяют с инвертирующим входом дифференциального усилителя. Неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединяют с коллектором транзистора выходного каскада стабилизатора напряжения. Выход дифференциального усилителя соединяют с входом вычислительного устройства или с портом ввода аналоговой информации электронной вычислительной машины, с помощью которой по заданному значению напряжения на выходе стабилизатора напряжения и значению его статического параметра определяют в установившемся режиме относительную величину измеряемого сопротивления в соответствии с математическим выражением:

R_Х/R_m=L(KU_С-U_Д)/U_Д,

где R_Х - активное сопротивление измеряемой цепи;

R_m - известная величина сопротивления масштабирующего резистора;

U_С - выходное напряжение стабилизатора напряжения;

K - коэффициент передачи дифференциального усилителя;

U_Д - значение напряжения на выходе дифференциального усилителя;

L=(U_П-U_С)/U_П=R1/(R1+R2) - статический параметр стабилизатора напряжения;

U_П - напряжение питания измерителя.

Заявляемый способ отличается от известного, принятого за прототип, тем что при измерении этим способом сопротивление контролируемой цепи включается параллельно масштабирующему резистору в контур цепи отрицательной обратной связи стабилизатора напряжения, что показано на чертеже, где изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Стабилизатор принудительно поддерживает на этих сопротивлениях напряжение, задаваемое делителем на сопротивлениях R1, R2. При подключении контролируемой цепи с емкостью к измерителю, в первый момент времени напряжение на выходе стабилизатора может возрасти за счет тока заряда емкости. Это увеличение напряжения мгновенно будет передано на неинвертирующий вход операционного усилителя А (см. чертеж), что приводит к резкому увеличению напряжения на его выходе. Транзистор Т1 откроется - в коллекторной цепи его возникнет бросок тока, заряжающий емкость контролируемой цепи. Переходной процесс быстро закончится. На коллекторе транзистора Т1 вновь устанавливается потенциал, задаваемый делителем R1, R2 (см. чертеж), но при возросших значениях базового и коллекторного тока транзистора Т1 за счет включения в коллекторную цепь его активного сопротивления контролируемой цепи.

Аналогичные изменения в режиме работы происходят и в транзисторе Т2 эквивалентного каскада. Эквивалентность каскадов T1, T2 обеспечивается за счет равенства сопротивлений в их коллекторных (до подключения контролируемого сопротивления) и эмиттерных цепях, а также за счет применения транзисторов, изготовленных в едином технологическом процессе на общей подложке транзисторной сборки.

Увеличение базового и коллекторного токов Т2 приводит к снижению напряжения на его коллекторе относительно выходного напряжения стабилизатора. Следовательно, величина разности этих напряжений зависит от сопротивления контролируемой цепи. Определим эту зависимость.

При подключении параллельно резистору R_m сопротивления R_x контролируемой цепи результирующее значение коллекторного сопротивления транзистора Т1 (см. чертеж) уменьшается и в установившемся режиме достигает значения R:

R=R_mR_x/(R_m+R_x). (1)

В случае идеального операционного усилителя падение напряжения U_С, задаваемое стабилизатором напряжения, будет определяться отношением:

U_С=U_ПR_Т/(R+R_T), (2)

U_П - величина напряжения питания;

R_Т - суммарное сопротивление открытого транзистора Т1 и резистора R4 (см. чертеж).

Определим из (2) величину R_Т:

R_T=U_СR/(U_П-U_С). (3)

В силу равенства параметров транзисторных каскадов для эквивалентного каскада можно аналогично определить падение напряжения U_m на коллекторе транзистора:

U_m=U_ПR_m/(R_m+R_T). (4)

Подставляя в последнее выражение соотношения (1), (3), получим:

Или

Откуда получим:

Тогда для относительного значения измеряемого сопротивления R_x/R_m можно записать:

Введем обозначения:

Тогда U_m=U_C-ΔU, и отношение (5) примет вид:

Соотношение (8) может быть реализовано различными способами. В частности, если принять во внимание, что оно определяет относительную величину измеряемого сопротивления в установившемся режиме, когда мост, образуемый сопротивлениями R1, R2, R, R_T (см. чертеж), сбалансирован и соблюдается равенство:

то величину параметра L, при достаточно высокой стабильности сопротивлений R1, R2, можно априорно задать как константу:

Как константа может быть задана и величина напряжения U_C на выходе стабилизатора напряжения. Тогда параметром, определяющим величину отношения R_x/R_m согласно (8), будет только разность ΔU. Величина разности напряжений ΔU может быть определена дифференциальным усилителем с коэффициентом передачи K, в общем случае отличном от единицы. Тогда в структуре измерителя вместо ΔU будет формироваться произведение KΔU=U_д. Чтобы при этом в соотношении (8) величина отношения R_x/R_m не изменилась, необходимо умножить на коэффициент K величину U_C и представить (8) в таком виде:

Для сравнения по быстродействию заявляемого способа измерения со способом приведенном в прототипе, оценим их реакцию на подключение конденсатора емкостью С в качестве измеряемого сопротивления.

Заряд емкости от стабилизатора тока, который используется в прототипе, производится постоянным по величине током I_T. Поэтому напряжение U_T на конденсаторе С изменяется по линейному закону:

.

Будем полагать, что заряд емкости в обоих случаях производится до одной и той же величины напряжения, заданной в относительных единицах

M=U_T/U_п=U_C/U_п, (12)

и для этого случая определим согласно (11) время заряда конденсатора:

t=MU_пC/I_T. (13)

В заявляемом способе используется стабилизатор напряжения. Поэтому происходит свободный заряд емкости от источника питания U_п через сопротивление открытого транзистора Т1 и ограничительное сопротивление R4 (см. чертеж):

U_н=U_п[1-exp(-t_H/τ)], (14)

U_н - падение напряжения на емкости;

τ=RC - постоянная времени заряда емкости;

R - суммарное значение сопротивления открытого транзистора и резистора R4.

Решая последнее соотношение относительно t_н с учетом (12), получим:

t_н=τln[1/(1-M)]. (15)

Составим отношение величин t/t_H, характеризующее относительное быстродействие сравниваемых способов измерения:

t/t_н=MU_пCR/RI_Тτln[1/(1-М)],

или

t/t_н=MI_н/I_Tln[1/(1-M)], (16)

I_н=U_п/R - начальное значение тока заряда емкости от источника питания через сопротивление R.

В рассматриваемых структурах способов измерения напряжение источника питания U_п распределяется между контролируемой цепью и стабилизатором тока или напряжения. Поэтому в большинстве практически важных случаев величина М=U_Т/U_п=U_С/U_п не выходит из диапазона значений 1/3≤М≤2/3. Соответственно выражение Н=М/ln[1/(1-М)] принимает значения из диапазона 0,99≥Н≥0,61 и существенного влияния на отношение t/t_H не оказывает. Тогда в соответствии с (16) время заряда емкостей и, следовательно, быстродействие сравниваемых способов обратно пропорционально максимальным значениям токов заряда емкостей в каждом из способов.

В заявляемом способе максимальное значение тока заряда емкости ограничивается допустимым значением тока транзистора или тока в контролируемой электрической цепи и может достигать нескольких десятков или даже сотен мА при неизменном напряжении на этой цепи.

В прототипе, как уже отмечалось, величина падения напряжения на контролируемой цепи пропорциональна измеряемому параметру (сопротивлению) и при жестких ограничениях на ее значение приходится исходить из худшего варианта, ограничивая величину тока десятками или даже единицами мкА. В этих условиях отношение t/t_H может достигать нескольких сотен или даже тысяч единиц, что говорит о высокой эффективности заявляемого способа.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна".

Из патентной и научно - технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа и устройства в предложенной совокупности. Таким образом, заявляемый способ дистанционного измерения активного сопротивления и устройство для его осуществления удовлетворяют критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления могут быть использованы в системах дистанционного контроля электрических цепей измерительных комплексов или технологических процессов при экспресс-контроле параметров их и оценке работоспособности. В качестве контролируемых цепей могут выступать при этом различные измерительные и силовые электрические цепи, в том числе и выходные цепи источников питания, содержащие в своем составе электролитические конденсаторы. Таким образом, предлагаемые способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения "промышленная применимость".

Заявляемые способ и устройство поясняются чертежом, где изображена структурная схема устройства, реализующего способ. На схеме обозначено:

1 - стабилизатор напряжения (выделен пунктиром) с выходным каскадом на транзисторе Т1;

2-2', 3-3' - провода соединительной линии с зажимами, показанными точками;

4 - эквивалентный транзисторный каскад (выделен пунктиром);

5 - дифференциальный усилитель;

6 - вычислительное устройство или электронная вычислительная машина с портом ввода аналоговой информации;

L=R1/(R1+R2) - константа, характеризующая статический параметр стабилизатора напряжения;

K - константа, равная по величине коэффициенту передачи дифференциального усилителя;

U_C - константа, равная по величине выходному напряжению стабилизатора напряжения.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, когда сопротивление контролируемой цепи не подключено, транзисторные каскады T1, T2, эквивалентные по параметрам и схемотехническому исполнению, сбалансированы и вместе с дифференциальным усилителем обеспечивают на выходе разность напряжений, равную нулю ΔU=0. В вычислительное устройство или в вычислительную машину вводят необходимые значения констант L, K, U_C.

При подключении к измерителю сопротивления контролируемой цепи с емкостью (см. чертеж), сопротивление коллекторной цепи транзистора Т1 резко снижается и в первый момент времени это может привести к возрастанию напряжения на выходе стабилизатора (к уменьшению падения напряжения на контролируемой цепи). Однако перепад напряжения мгновенно передается на неинвертирующий вход операционного усилителя, что приводит к резкому увеличению напряжения на его выходе. Транзистор Т1 открывается - в коллекторной цепи его возникнет бросок тока, заряжающий емкость контролируемой цепи. Переходной процесс быстро закончится. На коллекторе транзистора Т1 вновь устанавливается потенциал, задаваемый делителем R1, R2, но уже при возросших значениях базового и коллекторного токов Т1 за счет включения в коллекторную цепь его активного сопротивления контролируемой цепи. Одновременно с этим возрастают базовый и коллекторный токи транзистора Т2 эквивалентного каскада, что обусловливает снижение напряжения на его коллекторе относительно выходного напряжения стабилизатора. Разность этих напряжений усиливается дифференциальным усилителем 5 и подается на вычислительное устройство 6, в памяти которого хранятся значения величин L, K и U_C. Вычислительное устройство формирует оценку отношения R_x/R_m согласно математическому выражению (10).

Источники информации

1. Е.С.Левшина, П.В. Новицкий. Электрические измерения физических величин, измерительные преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.271, рис.11-15а.

2. Патент РФ N 2247999.

1. Способ дистанционного измерения относительной величины активного сопротивления электрической цепи, при котором пропускают ток через масштабирующий резистор известной величины и измеряемое сопротивление, подключенное к измерителю с помощью соединительной линии, отличающийся тем, что измеряемое сопротивление и масштабирующий резистор соединяют параллельно и подключают к стабилизатору напряжения, с помощью которого поддерживают на этих сопротивлениях заданную величину постоянного напряжения, выполняют дополнительно транзисторный каскад, эквивалентный по параметрам и схемотехническому решению выходному каскаду стабилизатора напряжения, но содержащий в коллекторной цепи только сопротивление масштабирующего резистора, определяют разность напряжений между выходом стабилизатора напряжения и коллектором транзистора эквивалентного каскада и подают эту разность на вычислительное устройство или электронную вычислительную машину с портом ввода аналоговой информации, с помощью которой по заданному значению напряжения на выходе стабилизатора напряжения и значению его статического параметра, характеризующего соотношение между напряжением стабилизации и напряжением питания измерителя, определяют в установившемся режиме относительное значение активного сопротивления измеряемой электрической цепи в соответствии с математическим выражением

R_x/R_m=L(U_C-ΔU)/ΔU,

где R_x - активное сопротивление измеряемой цепи;

R_m - известная величина сопротивления масштабирующего резистора;

U_C - выходное напряжение стабилизатора напряжения;

ΔU - разность напряжений между выходом стабилизатора напряжения и коллектором транзистора эквивалентного каскада;

L=(U_п-U_C)/U_п - статический параметр стабилизатора напряжения;

U_п - напряжение питания измерителя.

2. Устройство для дистанционного измерения относительной величины активного сопротивления электрической цепи, содержащее соединительную линию, измеряемое сопротивление, масштабирующий резистор с известным значением сопротивления, входные зажимы измеряемого сопротивления подключены к выходу соединительной линии, отличающееся тем, что в него дополнительно введены стабилизатор постоянного напряжения, выполненный на операционном усилителе и выходном транзисторном каскаде, транзисторный каскад, эквивалентный по параметрам и схемотехническому исполнению выходному каскаду стабилизатора напряжения, дифференциальный усилитель и вычислительное устройство или электронная вычислительная машина с портом ввода аналоговой информации, причем измеряемое сопротивление подключают с помощью соединительной линии параллельно масштабирующему резистору в коллекторную цепь выходного транзисторного каскада стабилизатора напряжения, в коллекторную цепь эквивалентного каскада включают сопротивление, равное по величине сопротивлению масштабирующего резистора, базу транзистора эквивалентного каскада соединяют с базой транзистора выходного каскада стабилизатора напряжения, коллектор транзистора эквивалентного каскада соединяют с инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединяют с коллектором транзистора выходного каскада стабилизатора напряжения, а выход дифференциального усилителя соединяют с входом вычислительного устройства или с портом ввода аналоговой информации электронной вычислительной машины, с помощью которой по заданному значению напряжения на выходе стабилизатора напряжения и значению его статического параметра определяют в установившемся режиме относительную величину измеряемого сопротивления в соответствии с математическим выражением:

R_Х/R_m=L(KU_С-U_д)/U_д,

где R_Х - активное сопротивление измеряемой цепи;

R_m - известная величина сопротивления масштабирующего резистора;

U_С - выходное напряжение стабилизатора напряжения;

К - коэффициент передачи дифференциального усилителя;

U_д - значение напряжения на выходе дифференциального усилителя;

L=(U_п-U_С)/U_п=R1/(R1+R2) - статический параметр стабилизатора напряжения;

U_п - напряжение питания измерителя.