Цифровой мост переменного тока

 

ОПИСАНИЕ

Союз Советских

Социгепистических

Республик

5I2432

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 19.04.73 (21) 1910192/26-21 с присоединением заявки М— (23) Приоритет—

Опубликовано 30.04.76. Бюллетень М 16

Дата опубликования описания 13.01.77 (51) М.Кл. С 01R 17/10

Государственн;нй комитет

Совета Министров СССР по делан изобретений и открытий (53) Ygl, К 621.317.733 02 (088.8) (72) Автор изобретения

Р. Д. Тучин (71) Заявитель (54) ЦИФРОВОЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться при построении быстродействующих цифровых мостов переменного тока.

Известен цифровой мост, содержащий источник питания, первый и второй детекторы равновесия, соединенные с уравновешивающими элементами, измерительную мостовую цепь, состоящую из трансформатора напряжения, компаратора токов, вспомогательного трансформатора и образцовых мер. Недостатком такого моста является относительно низкос быстродействие, обусловленное наличием модуляционных, пробных, воздействий, которые требуют дополнительных затрат времени.

Цель изобретения — повышение быстродействия моста путем улучшения сходимости, развязки контуров и одновременного безмодуляционного уравновешивания измеряемых параметров.

Это достигается тем, что в предлагаемое устройство введены дополнительный компаратор токов, фазочувствительный детектор, вход которого связан с первым детектором равновесия, четырехполюсник с регулируемым элементом, связанным с выходом фазочувствительного детектора, а также усилителем, вход которого подключен к выходу четырехполюсника, а выход — к образцовой мере, связанной с

2 дополнительной обмоткой основного компаратора токов, включенной последовательно с плечевой обмоткой дополнительного компаратора токов, другая плечевая обмотка которого подключена к образцовой мере, связанной со вспомогательным трансформатором.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого цифрового моста.

Источник питания 1 подключен к генераторной обмотке -no трансформатора напряжения 2, который содержит вторичные обмотки гггь ггг2 и гггз, Под действием напряжения обмотки и, объект измерения 3 и обмотка тг1 компаратора токов 4 обтекается током, возтп буждающим в компараторс магнитный поток, пропорциональный импедансу измеряемого объекта. Квадратурная составлгпощая этого потока уравновешивается путем дискретной регулировки числа витков обмотки ff2g, питающей образцовую меру 5 и обмотку гг2 компаратора токов 4. Синфазная составляющая компенсируется при помощи аналоговой системы автоматического регулирования 6, возбуждающей в компараторе токов 4 посредством дополнительной обмотки гг магнитный поток синфазного характера, равный по амплитуде и противоположный по фазе синфазной составляющей магнитного потока, создаваемого вствью измеряемого объекта. Гтттттит ходит

3р это следующим образом.

512432

Рсзу IbTBT взаимодействия магнитны.; потоков, создаваемых токами, обтекающими обмотки и,, и,, п4, воспринимается индикаторной обмоткой п3. Выходной ток этой обмотки при помощи входного устройства (преобразователя ток — напряжение) первого детектора равновесия 7 преобразуется в напряжение, которое в дальнейшем усиливается и подается раздельно на входящее в состав детектора равновесия устройство анализа приращений, возникающих при уравновешивании квадратурной составляющей, и на фазочувствительный детектор 8. К фазочувствительному детектору 8 подводится опорное напряжение, которое выбрано таким образом, что на выходе детектора 8 образуется напряжение постоянного гока, пропорциональное синфазной составляющей измеряемого импеданса. Это напряжение посредством регулируемого элемента 9 (например, оптрона или полевого транзистора) управляет коэффициентом передачи четырехполюсника 10, выходное напряжение которого подводится к входу усилителя 11. Выход усилителя подключен к образцовой мере 12 (Rp), соединенной с дополнительной обмоткой п компаратора токов 4, вследствие чего последняя обтекается током синфазного характера.

В результате, при противоположной намотке обмоток п< и п4, в компараторе токов 4 имеет место полная компенсация синфазной составляющей его магнитного потока. Так как дополнительная обмотка п, компаратора токов

4 включена последовательно с обмоткой дополнительного компаратора токов 13, обмотка п обтекается одинаковым с обмоткой п4 током, благодаря чему при и1=п4 в дополнительном компараторе токов 13 возбуждается магнитный поток, по характеру и амплитуде равный потоку, создаваемому обмоткой п4, а значит и синфазной стоставляющей потока, создаваемого обмоткой и,. Иначе говоря, синфазная составляющая магнитного потока, создаваемая в компараторе токов 4 ветвью измеряемого объекта, переносится в дополнительный компаратор токов 13. Здесь она уравновешивается прн помощи ветви, состоящей из регулируемой обмотки 11 вспомогательного трансформатора 14, образцовой меры 15 (R ) и обмотки n q дополнительного компаратора токов 13.

Коммутация витков обмотки l> осуществляется уравновешивающим элементом 16, который управляется вторым детектором равновесия 17.

Коммутация витков обмотки т3 осуществляется при помощи уравновешивающего элемента 18, связанного с первым детектором равновесия 7.

Таким образом, в мосте образуются два независимых контура регулирования: контур регулирования квадратурной составляющей и контур регулирования синфазной составля:ощей, изменение измерительных состояний в каждом из них не приводит к появлению паразитных сигналов, т. е. они оказываются полпостыл развязанными и взаимно независимь1ми, благодаря чему уравновешивание мосга может осуществляться одновременно и безмодуляционным способом. Линии уравновешива ния такой мостовой цепи в достаточной степени ортогональны.

Сказанное вытекает из условия равновесия моста с учетом особенностей входящих в его состав узлов и их связей. Для ветви измеряе10 мого объекта предлагаемого цифрового мосга можно записать

У„иип, и 1 л,—

mnZx

16 где Wl„ампер-витки ветви;

U „— напряжение источника ния 1;

Z — измеряемый импеданс.

В случае измерения по параллельной схеме

20 замещения компонентов измеряемого импеданса он может быть представлен в виде — х

1+ Г (2) 25 где С,. и R,. — компоненты измеряемого импеданса; и — круговая частота.

С учетом (2) выражение (1) запишется следующим образом

+ "

m 0 R„ mo

Ампер-витки, характеризующие квадратурную составляющую со стороны ветви сравнения, определяются выражением

WICp — — " /жСО. (4) и О

40 Сопоставляя (4) и второй член правой части уравнения (3), получают и4 г х О

m,ï, (5) 4; откуда видно, что прямой отсчет по емкости обеспечивается регулировкой числа витков обмотки ш .

Выражение, характеризующее состояние равновесия по синфазной составляющей, находят путем анализа работы аналоговой системы автоматического регулирования. Воспользуемся выражением для ампер-витков индикаторной обмотки п3 компаратора токов 4

Wln3 = WIn1 — (Wln4 + Wln ). (6)

Переходя к токам, а также учитывая, что система автоматического регулирования реагирует только на синфазную составляющую магнитного потока компаратора 4, при n> —— n< получают

60 (7) In3 7и1 In4

Ток 1п4 можно представить как результат воздействия выходного напряжения усилите65 ля 11 на образцовую меру 12 (Rp), т. е.

512432

>вых

I 04

Ro (8) 1а5

< 1 х> л (1б) 1 + 12ik2Q ,(:Д1 1;Д

15 или (19) (12) Ur mi

WIn1 —— — .

mo х (13) (1 + 121l22Q) Ur m2l1,и 2 й>7п 2

mo12Ri (14) где V„„— выходное напряжение четырехпол юси ика 10.

В свою очередь V„,„ìîæíî представить в виде

V,„,„= — uPyln2k(k2, (9)

mo где и — коэффициент, учитывающий передаточную функцию четырехполюсника 10;

P — коэффициент, учитывающий крутизну регулировочной характеристики элемента 9; у — коэффициент передачи фазочувствительного детектора 8;

k1k2 — коэффициенты усиления усилителя 11 и усилительного тракта первого детектора равновесия 7.

Подставляя далее (9) в (8), получают

1П4 1ЛЗ 1 2Я> (10) где Q — коэффициент, учитывающий передаточные функции аналоговой системы автоматического регулирования. (1 1) т„Д„

Подставляя (10) в (7) и решая (7) относительно In4, получают Лги

1л4 а! 1

Из выражения (12) видно, что токи In4 и

In> могут быть достаточно близки друг другу.

Например, при k>k2=10000 и Q=l (что выполняется практически без особых затруднений), разница между этими токами составляет всего лишь 0,010/О, так как имеет место довольно полная компенсация.

Так как обмотки п4 и n 1 (дополнительный компаратор токов 13) обтекаются одним и тем же током, то при п4 — — и 1 для ампер-витков

Wln 1 с учетом (3) можно записать

Ветвь сравнения дополнительного контура регулирования (контур регулирования синфазной составляющей) описывается выражением

Сравнивая (14) и (13), получают (15)

22121Л г(1 + 1211221>) 6 где l2 — обмотка трансформатора 14.

Имея в виду, что выбранная для примера измерительная цепь предлагаемого цифрового моста имеет параллельную схему замещения компонентов измеряемого объекта, для которой пользуясь (15) и (5), находят

Ю гд

1 б=

l;,k>Q погрешность измерения, определяемая статнз25 мом аналоговой системы автоматического регулирования, значение которой при указанных выше величинах коэффициентов k„k2 и Q исчезающе мало.

Прямой отсчет tg6,., как это следует из

З0 (17), обеспечивается регулировкой числа витков обмотки 11 вспомогательного трансформатора 14.

Формула изобретения

Цифровой мост переменного тока, содержащий источник питания, первый и второй де40 текторы равновесия, соединенные с уравновешивающими элементами, измерительную мостовую цепь, состоящую из трансформатора напряжения, компаратора токов, вспомогательного трансформатора, образцовых мер, ог45 лича ощийся тем, что, с целью повышения быстродействия моста путем улучшения сходимости, развязки контуров и одновременного безмодуляцпонного уравновешивания измеряемых параметров, OH снабжен дополни50 тельным компаратором токов, фазочувствительным детектором, вход которого связан с первым детектором равновесия, четырехполюсником с регулируемым элементом, связанным с выходом фазочувствительного детектора, а

55 также усилителем, вход которого подключен к выходу четырехполюсника, а выход — к образцовой мере, связанной с дополнительной обмоткой основного компаратора токов, включенной последовательно с плечевой обмоткой

60 дополнительного компаратора токов, другая плечевая обмотка которого подключена к образцовой мере, связанной со вспомогательным трансформатором.

512432

gt!

Составитель А. Бешуле

Техред А. Камышникова

Редактор Е. Караулова

Корректор А. Степанова

Заказ № 5191 Изд. № 1314 Тираж 1029 Подписнсе

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

МОТ, Загорский филиал