Способ автоматического выбора измеряемых параметров комплексного сопротивления в универсальных экстремальных мостах переменного тока

 

1. СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МОСТАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА , при котором первоначально суммируют ток объекта измерения с периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, квадратурньм по отношению к напряжению на объект измерения , и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модуляционного тока определяют , в каком из двух квадратов полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности выбора измеряемых параметров, при определении сектора, в котором находится вектор тока объекта измерения, суммируют зтот ток с другим периодически изменяющим фазу на 90° модуляционным током, вектор которого направлен под углом ±135° к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта,и познаку приращения амплитуд суммарного тока при изменении фазы модуляционного тока i на 90 определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объексл та измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной ) составляющей измеряемого сопротивления. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модуляционный ток формируют с амплитудой в раз q меньшей амплитуды тока объекта изме9d Ю 4 рения . CO эо f%/r

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А (51) 4 6 01 R 17/12

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2ij 2130550/18-21 (22) 05.06.75 (46) 07.10.80. Бюл. ))- 37 (71) Институт электродинамикиАН УССР (72) А.И.Новик, M.H.Сурду, B.H.Карандеев и Ж.П.Журавлев (53) 621.217.733(088.8) (56) Авторское свидетельство по заявке 9 1942154/21 от 12 июля

1973, по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства, кл. G 01 R 17/12. (54)(57) 1. СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ

ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МОСТАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, при котором первоначально суммируют ток объекта измерения с периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, квадратурным по отношению к напряжению на объект измерения, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модуляционного тока опре-деляют, в каком из двух квадратов полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности выбора измеряемых параметров, при определении сектора, в котором находится вектор тока объекта измерения, суммируют этот ток с другим периодически изменяющим фазу а на 90 модуляционным током, вектор которого направлен под углом +135 к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта,и.по знаку приращения амплитуд суммарного тока при изменении фазы модуляционного тока о O на 90 определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления.

2. Способ по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что модуляционный ток формируют с амплитудой в Г2 раз меньшей амплитуды тока объекта измерения.

7б 9438

20

40

55

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, точнее к измерению параметров комплексных сопротивлений.

Известен способ автоматического выбора измеряемых параметров комплекского сопротивления, заключающийся в том, что первоначально„ суммируют ток объекта измерения с периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, квадратурным по отношению к напряжению на объекте измевения, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модуляционного тока определяют, в каком из двух квадрантов полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления, а затем суммируют тот объект измерения с другим периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, вектор которого перпендикулярен линии раздела двух секторов квадранта, выбранного ранее, и по знаку приращения, амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модулированного тока определяют, в. каком из двух секторов находится вектор тока .объекта измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составля-. ющей измеряемого сопротивления (I).

Недостаток: известного способа заключается в том, что неточность установки фазового сдвига модуляционного тока на втором этапе выбора измеряемых параметров (определение секторов, в каком находится вектор тока объекта измерения) приводит к появлению довольно широкой зоны, в которой выбор измеряемых параметров может быть произведен неправильно.

Целью изобретения является повышение точности выбора измеряемых параметров. Эта цель достигается тем, что при определении сектора, в котором находится вектор тока объекта измерения, суммируют этот ток с другим периодически изменяющим фазу на 90 модуляционным током, вектор которого направлен под углом <.135 к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока. при изменении фазы модуляционного

0 тока на 90 определяют, в каком из, двух секторов находится вектор тока объекта измерения, -т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления. При этом модуляционный ток формируют с амплитудой в раз меньшей амплитуды тока объекта измерения.

Выбор измеряемых параметров комплексного сопротивления предлагаемым способом производится в два этапа.

На первом этапе определяют, в каком из двух квадрантов комплексной полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления. На втором этапе определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления.

На фиг. 2 представлена векторная диаграмма первого этапа выбора измеряемых параметров по предлагаемому способу на фиг. 3 — векторная диаграмма второго этапа выбора измеряемых параметров по предлагаемому способу; на фиг. 1 — блок-схема экстремального моста, реализующего предлагаемый способ выбора измеряемых параметров комплексного сопротивления.

На первом этапе выбора измеряемых параметров ток I модулируют током

dI<, направленным перпендикулярно вектору питающего напряжения U». При этом модуль суммарного вектора будет зависеть от взаимного расположения векторов Б», Х», ЬХ<. Как видно из фиг. 2 для взятого в качестве примера вектора I„, суммарный вектор, М=

=I», +ЬХ, меньше, нежели суммарный вектор N=Х„ -dI Это свидетельствует о том, что вектор I« расположен в левом квадранте, Для вектора I»ir который расположен в правом квадранте, имеет место обратное соотношение:

M>N. Равенство суммарных токов M=N имеет место только при совпадении векторов U и Х„. Таким образом, модулируя ток Х „ током ЬХ, и анализируя знак приращения амплитуды суммарного сигнала при +дХ< и -аХ,, можно определить, в каком из двух квадрантов полуплоскости лежит ток I».

На втором этапе определяют, в каком иэ двух секторов найденного квадранта находится вектор тока объекта

769438 измерения I, т,е. какая составляющая сопротивления — активная или реактивная - преобладает. Для этого ток объекта измерения I„ модулируют. Модуляция в этом случае заключается в том, что с вектором I суммируют другой — модуляционный — вектор тока, направленный под углом f135 к линии раздела двух секторов ранее выбранно- 10 го квадранта, и в процессе модуляции периодически изменяющ*й фазу на

90 . Как видно из фиг. 3 для взятого в качестве примера вектора I суммарный вектор К=Х„+Х больше по модулю, нежели суммарный вектор L=I +I . Это свидетельствует о том, что вектор

I расположен внутри П сектора. Если бы вектор Х„ был внутри Х сектора, то имело бы место соотношение K(1.

При K=L вектор I„, очевидно, совпадает с линией раздела I u II секторов.

Аналогично производится определение сектора для правого квадранта, примером служит ток Х„„: при K L, вектор 25

Х„ находится в секторе IV, при К>Х в секторе III при К=L — совпадает с границей раздела III u IV секторов.

Таким образом, по знаку прираще™. ния амплитуд суммарного тока при изменении фазы модуляционного тока на о

90 можно судить о том, в каком из секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. судить о характере преобладающей составляющей комплексного сопротивления.

gp где P I — относительное неравенство

М амплитуд модуляционных тоI H I+

С другой стороны, отклонение вектора тока объекта измерения от линии

35 ° раздела секторов на угол d× при равенстве амплитуд модуляционных токов Х =Х приводит к появлению модуляционного приращения амплитуды суммарного тока d I величина которого, 40 как нетрудно показать равна

ЬХМ=2Хмьц

Очевидно, определение сектора, внутри которого находится вектор тока объекта измерения Iz, может быть

45 верным и в случае, если полезное приращение амплитуды суммарного тока больше ложного. Приравняв величины полезного и ложного приращений амплитуды суммарного тока можно on50 ределить ширину зоны неопределенности (т.е. зоны, в которой сектор комплексной полуплоскости может быть определен неверно). — 4

Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что при модуляции вектора тока объекта измерения модуляционным током, вектор которого направлен под углом +135 к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта, и в процессе модуляции периодически о изменяющий фазу на 90,зона неопределенности, в которой возможно неправильное определение сектора комплексной полуплоскости, резко сужается.

Если же амплитуда модуляционного тока в Г2 раэ меньше амплитуды тока объекта измерения, то зона неопределенности будет минимальной. Покажем это. С этой целью проанализируем, как влияет на ширину эоны неопределенности погрешность формирования модуляционных токов. Будем считать, что амплитуда модуляционного тока в 42 раз меньше амплитуды тока объекта измерения.

Формирование модуляционных токов

t о

Х „ и I„, сдвинутых по фазе на 90 не представляет трудности. Более трудной задачей является обеспечение равенства амплитуд этих токов. Поэтому рассмотрим, как будет влиять на точйость определения сектора комплексной полуплоскости неравенство ампли+ туд модуляционных токов Хм и Х

Пусть вектор тока объекта измерения

I „ (см,,фиг. 3) совпадает с линией раздела ОВ сектора I u II ° При равенстве I и Х„„ имеет место соотношение

K=L, т.е. приращение амплитуды суммарного тока при измерении фазы моо дуляционного тока на 90 равно нулю.

Если один из модуляционных токов больше другого на величину hI (в нашем примере I„ по модулю больше

Х на величину dI„), то K4L. Это приводит к появлению ложного приращения амплитуды разностного тока 6I . Иэ треугольника образованного векторами

L, 6 Х и L (фиг. 2) нетрудно определить величину этого приращения Хм < К 2 Хм(Хм) э

1 2

Из этого выражения видно, что зона неопределенности является вели769438 чиной второго порядка малости по сравнению с относительным неравенством амплитуд модуляционных токов I„. По этому она существенно уже аналогич5 ной зоны при выборе измеряемых параметров известным способом.

Приведем количественное сравнение ширины зон неопределенности при выборе измеряемых параметров иэвест- )ð ным и предлагаемым способом. Допустим, что на втором этапе выбора из-, меряемых параметров известным способом модуляционный ток формируется при помощи цепочки из параллельно соединенных конденсатора и резистора, подобранных так, чтобы на номинальной рабочей частоте их сопротивления были одинаковы. Если рабочая частота моста изменится на 8а, то изменится и фаза модуляционного тока на величину, равную

) <

ay= 3о

Такой.же по величине будет и ширина эоны неопределенности, в которой выбор измеряемых параметров будет произведен неправильно.

Допустим, что на втором этапе выбора измеряемых параметров предлагаемым способом для формирования модуляционных токов используются те же конденсатор и резистор, поочередно подключаемые в процессе модуляции к источнику напряжения. Если при этом изменится рабочая частота моста на величину Fe, то появится неравенство амплитуд модуляционных токов I„ и

I„, относительное значение которого равно fI„=o

1 1 предлагаемым способом h(f-- — (ь ).

Предположим, что относительная нестабильность частоты генератора а =

=IL . Тогда ширина зоны неопределенности при выборе измеряемых параметров известным способом составит 0,5»

«10 радиан, а при выборе измеряемых 5О параметров предлагаемым способом

0,25-10 радиан. Таким образом, при

Ф испбльзовании предлагаемого способа ширина зоны неопределенности уменьшается по сравнению с аналогичной зоной при использовании известного способа в 200 раз. . Необходимо отметить, что. при несоблюдении соотношения амплитуд токов

Х„=I„/ Г2 при выборе измеряемых параметров предлагаемым способом ширина зоны неопределенности несколько возрастает, однако остается существенно меньшей аналогичной зоны при выборе измеряемых параметров известным способом.

На фиг. 1 приведена схема моста, иллюстрирующая пример реализации предлагаемого способа. С питающего генератора 1 напряжение рабочей частоты подается на первичную обмотку трансформатора напряжений 2 мостовой цепи. С плечевой обмотки 3 этого трансформатора сигнал поступает на объект измерения 4 и далее на обмотку 5 индуктивного компаратора токов и через переключатель 6 на преобразователь 7 токов в напряжение. Через переключатель 8 с плечевой обмотки 3 трансформатора напряжения 2 сигнал поступает на управляемый элемент 9, питающий первичную обмотку трансформатора модулятора 10. С плечевой обмотки 11 напряжение поступает на ос тальные элементы измерительной цепи, условно обозначенные блоком 12 и служащие для уравновешивания моста после выбора измеряемых параметров. Эти элементы через переключатель 13 могут быть подключены к обмотке 14 компаратора токов. Модулятор 10 состоит иэ трансформатора напряжений и двух ключей 15 и 16, один.из которых всегда открыт, а другой закрыт. Напряжение с модулятора 10 поступает на модуляционный элемент 17 ° Выходное напряжение управляемого элемента 9 поступает на модуляционный элемент 18. Токи, протекающие через модуляционные элементы 17 и 18, с помощью переключателя 19 через переключатель 13 могут подаваться в обмотку 14 компаратора токов. К указательной обмотке 20 компаратора .токов подключен экстремальный детектор равновесия 21, являющийся по сути дела анализатором знака амплитудных приращений. его выход через переключатель 22 может быть подключен либо к системе автоматического уравновешивания моста 23, либо к блоку коммутации 24 измерительной цепи при выборе измеряемых параметров.

Входное сопротивление экстремального детектора равновесия 21 близко к нулю, благодаря чему компаратор токов работает в режиме короткого замыкания.

769438

Иост работает следующим образом.

Первоначально переключатели 22, 13, 6 и 8, а также-переключатель 19 находится в положении I. При этом через обмотку 5 протекает ток объекта измерения 4. Через обмотку 14 протекает модуляционный ток, вызванный периодически инвертирующимся напряжением модулятора 10, приложенным к элементу 17. Амплитуда модуляционного тока всегда в 42 раз меньше амплитуды тока объекта измерения. С этой целью ток объекта измерения преобразуется преобразователем 7 в постоянное напряжение, поступающее на управляемый элемент 9, через который сигнал с обмотки 3 трансформатора напряжения 2 инвертируется и подается на трансформатор модулятора 10. Этим обеспечивается пропорциональность амплитуд модуляционного тока и тока объекта измерения. Очевидно, что этот модуляционный ток будет квадратурен по отношению к питающему объект измерения напряжению. На компараторе токов производится суммирование токов,результирующий модулированный ток из обмотки 20 поступает в анализатор приращений 21, с выхода которого сигнал подается на блок коммутации 24, производящий необходимую коммутацию в измерительной цепи для работы в том или ином квадранте.

Так происходит первый этап выбора измеряемых параметров. На втором этапе выбора измеряемых параметров модулятор 10 затормаживается (в соответствии с результатом выбора на

40 первом этапе открыт либо ключ 15, либо ключ 16), а модуляция производится периодически переключением переключателя 19. При этом фаза модуляционного тока изменяется периодичесо ки на 90 . Пусть на первом этапе бы- 45 ло установлено, что Х находится в левом квадранте (Х и II секторы), на втором этапе при этом модулятор

10 заторможен в положении: ключ 15 закрыт, а 16 — открыт. Очевидно, что 50 модуляционный ток, вызванный напряже8 нием модулятора 10 приложенным к о элементу 17, отстает на 90 от напряжения, питающего объект измерения (направлен по линии ОЕ, см. фиг. 3).

При переключении переключателя 19 в положение 2 модуляционный ток, вызванный выходным напряжением регулирующего элемента 9, приложенным к элементу 18, противофазен напряжению питания объекта измерения. Если же модулятор заторможен в положении". ключ 15 — открыт, à 16 — закрыт,то модуляционный ток в положении I переключателя 13 будет направлен по линии ОА (фиг. 3). Таким образом, на втором этапе выбора измеряемых параметров при периодическом переключении переключателя 19 модуляционный ток периодически изменяет фазу на

О

90 . На компараторе токов производится суммирование токов. Суммарный ток на обмотки 20 опять поступает на анализатор приращений 21, который подает в блок 24 вторую команду — с выбора сектора. На этом выбор измеряемых параметров заканчивается. Переключатели 22, 23, 6, 8 переводятся в положение 2. При этом преобразователь

7, управляемый элемент 9, модулятор

10, модуляционные элементы 17 и 18 и блок коммутации 24 измерительной цепи при выборе измеряемых параметров 24 отключаются, а к обмотке 14 подключается блок 12 измерительной цепи 12, который до этого не участвовал в работе. К выходу экстремумдетектора подключается система уравновешивания 23, и производится уравновешивание измерительной цепи одним из известных способов.

Как видно из приведенного описания, реализация предложенного способа несложна, при выборе измеряемых параметров могут использоваться многие элементы измерительной цепи и экстремальной системы уравновешивания моста. Если не поддерживать амплитуду модуляционного тока равной Х„/V2, то реализация предложенного способа намного упрощается.

769438

Составитель И.Бахтина

Ф

Редактор О,Трубченко Техред М.Моргентал Корректор А. Обручар

Заказ 6701

Тираж 65 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