Компенсационное устройство дляизмерения параметров элементов слож-ных электрических цепей

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

« i) 849082 (6l) Дополнительное к авт. свид-ву (53)lVl. Кл.

G 01 R 17/02 (22) Зая влено 09.07.79 (2 ) 2793391/18-21 с присоединением заявки №

Воударствениый комитет

СССР (28) Приоритет

Опубликовано 23.07.81. Бюллетень ¹ 27 по делам изобретений и открытий (53) УДК 621317 .733 (088.8) Дата опубликования описания 23.07.81

1 (72) Авторы изобретения

Б. Я. Лнхтциндер и В. К. Задорожный

- 1 з 4 y

Ю

1 (7!) Заявитель

Винницкий политехнический институт (54) КОМПЕНСАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ. ЭЛЕМЕНТОВ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ЦЕПЕЙ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в автоматизированных измерительных системах (АИС), при измерениях параметров резисторов и конденсаторов, образующих сложные электрические цепи.

Известно устройство преобразования комплексных сопротивлений в напряжение, содержащее два последовательно включенных операционных усилителя (ОУ), два фаэочувствительных детек1О тора, два интегратора, два модулятора, суммирующий усилитель и резистор обратной связи (1).

Недостатком его является то, что нри измерении комплексных сопротивлений устройство обладает ограниченным быстродействием и точ-, ностью измерения малых значений комплексных сопротивлений, обусловленными необходимостью использования только контактных ключей для подключения объекта контроля к устройству (при работе в составе АИС), обладающих достаточно большим временем дребезга контактов и нецостоянством сопротивления замкнутого ключа. Необходимость применения контактных "ключей вызвана тем, что, как известно, входное сонротнвление ОУ охваченного отрицательной обратной связью, стремится к нулю.

Известно также устройство для измерения параметров элементов сложных электрических цепей, содержащее источник калиброванного напряжения, операционные усилители с калибровочными резисторами в цепях обратной связи, измеряемую сложную электрическую цепь и устройство обработки информации (2).

Это устройство позволяет одновременно контролировать несколько элементов сложной электрической цепи, но вместе с тем подключа ие контролируемых элементов к схеме возможно толысо с помощью контактных ключей, ограничивакицих быстродействие. Кроме того, результаты измерения существенно зависят от стабильности амплитуды и частоты источника калиброванного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности является статический преобразователь составляннцих комплексного сопротивления, который содержит усилитель сравнения напрязжения, два фазочувствительных элемента (ФЧЗ), два модулятора,. суммирующий усилитель, два

45 отсчетных устройства, фазовращатель, образцо вое и комглексное измеряемое сопротивление (3).

Однако известное устройство позволяет исключить влияние колебаний амплитуды опор5 ного напряжения на точность измерения, но необходимость подключения образцового и измеряемого сопротивлений в точку "виртуального" нуля усилителя сравнения напряжения требует применения контактных ключей в ком- 10 мутаторе (при использовании преобразователя в составе АИС), что значительно ограничивает быстродействие измерений и снижает надежность всей АИС в целом.

Цель изобретения — повышение быстродействия измерений параметров элементов сложных электрических цепей и надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что комso пенсационное устройство для измерения парамет-, ров элементов сложных электрических цепей, содержащее усилитель сравнения напряжения, выход которого соединен с двумя фазочувствительными элементами, выходы которых соединены с блоками отсчетных устройств и через модуляторы подключены ко входам суммирующего усилителя, выход которого через первый образцовый резистор присоединен к первому входу усилителя сравнения напряжения, снабжено генератором прямоугольных импульсов, делителем частоты, двумя счетными триггерами, источником постоянного напряжения, модулятором, интегрирующим усилителем, усилителем напряжения с двумя бесконтактными

35 ключами в цепи отрицательной обратной связи, блоками уравновешивания по числу одновременно измеряемых параметров с усилителем напряжения на входе, с двумя ключами и вторым образцовым резистором в цепи отрица40 тельнои обратной связи, и с интегратором, общий вывод для подключения элементов контролируемой схемы соединен с двумя первыми бесконтактными ключами, второй вывод одного из них подключен к инвертирующему входу первого усилителя напряжения, выход которого соединен со вторым выводом второго ключа, а неинвертирующий вход подключен к выходу первого интегрирующего усилителя, вход которого через третий модулятор

50 соединен с источником постоянного напряже. ния, а выход генератора прямоугольных импульсов через делитель частоты подключен ко входам двух счетных триттеров, причем выход одного из них соединен со входом третьего

55 модулятора и вторыми входами блоков уравновешивания, выход второго триттера подключен к третьим входам блоков уравновешивания, первые входы которых соединены со вторыми

82 4

"входами элементов контролируемой схемы, ;кроме того, первый вход первого блока уравновешивания соединен с общими выводами двух вторых ключей, второй вывод одного ключа подключен к инвертирующему входу второго усилителя напряжения, а второй вывод второго ключа соединен с выводами двух образцовых резисторов и первым входом усилителя сравнения напряжения, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя напряжения и вторым выводом второго образцового ключа, интегрирующий усилитель включен между одним из входов суммирующего усилителя и выходом первого модулятора, причем управляющие входы модуляторов и второго фазочувствительного элемента подключены ко второму входу блока уравновешивания, а управляющий вход первого фазочувствительного элемента соединен с третьим входом этого блока.

Введение последовательно включенных генератора прямоугольных импульсов, делителя частоты и двух счетных триггеров, срабатывающих от разных фронтов импульса, позволяет сравнительно просто реализовать два управляющих напряжения, сдвинутых на 90 друг относительно друга, причем величина этого сдвига не зависит от частоты (ГПИ) в широком диапазоне. Включение последовательно соединенных источника постоянного напряжения, модулятора, интегрирующего усилителя и усилителя напряжения с двумя бесконтактными ключами в цепи (ООС), позволяет сравнительно просто получить опорное переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого не зависит от колебаний сопротивлений контактных ключей, подключающих это напряжение в заданную точку измеряемой электрической цепи. Применение на входе каждого блока уравновешивания устройства усилителя напряжения с последовательно включенными двумя бесконтактными ключами и образцовым резистором в цепи (ООС) дает возможность обеспечивать в точках подключений к измерительной электрической цепи нулевой потенциал, что позволяет искусственно разорвать измеряемую электрическую цепь (т.е. исключить влияние шунтирующих элементов, не участвующих в измерениях), а также сделать величину тока, протекающего через измеряемый элемент, независимой от сопротивления бесконтактных ключей. Дополнительно в каждый блок уравновешивания входят усилители сравнения напряжения. Входы каждого усилителя сравнения напряжения подключены к образцовому резистору, выход — к последовательно соединенным ФЧЭ, модулятору и интегратору, а также к другому ФЭЧ и модулятору. Выходы интегратора и модулятора соединены с сумми50

5 8490 рующим усилителем, который через резистор обратной связи подключен к усилителю напряжения. Число блоков уравновешивания определяется количеством контролируемых двухполю сник ов, 5

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, который подключен через делитель 2 частоты, управляемый от ПУ, к счетным триггерам 3 и 4, выход триггера

3 соединен с управляю цим входом модулятора 5 и входами 6, 7 и 8 блоков 9, 10 и

11 уравновешивания соответственно, а также выход триггера 4 подключен ко входам 12, 13 и 14 одинаковых блоков 9, 10 и 11 урав новешивания соответственно. Источник 15 постоянного напряжения через модулятор 5 соедйнен со входом интегрирующего усилителя

16, выход которого подключен к неинвертирующему входу усилителя 17 напряжения, инвертирующий вход которого соединен с бесконтактным ключом 18, который присоединен к бесконтактному ключу 19 и выводам; элементов 20 — 24 контролируемой схемы 25, причем второй вывод элементов 23 и 24 подключен к входу 26 блока 9, второй вывод элементов 21 и 22 подключен ко входу 27 блока 10, а второй вывод элемента 20 подклю30 чен ко входу 28 блока 11. Вход 26 блока 9 соединен с бесконтактными ключами 29 и

30, причем второй вывод ключа 29 присоединен к инвертирующему входу усилителя

31 напряжения, а второй вывод ключа 30 под35 ключен к образцовым резисторам 32 и 33 и первому входу усилителя 34 сравнения напряжения, второй вход которого подключен к выходу усилителя 31 напряжения и резистору 32, а выход: соединен с первыми вхо- до дами фазочувствительных элементов 35 и

36, выходы которых подключены к выходам

37 и 38 блока 9 и входам модуляторов 39 и 40 соответственно, причем выход модулятора 39 через интегрирующий усилитель 41 подключен к одному входу суммирующего усилителя 42, а выход модулятора 40 подключен ко второму входу усилителя 42, выход которого соединен с одним из выводов резистора Д3. Выходы 37 и 38 блока 9, выходы 43 и 44 блока 10 и выходы 45 и 46 блока 11 подключены к блоку 47 отсчетных устройств.

Устройство работает следующим образом.

Источник 15 вырабатывает постоянное на55 пряжение, которое с помощю модулятора 5 преобразуется в переменное напряжение нрямоугольной формы, с частотой, равной поло. вине частоты следования импульсов на вы82 6 ходе делителя 2 частоты, причем скввкность импульсов напряжения на выходе модулятора 5 всегда будет равна двум за счет применения счетного триггера 3, управляющего модулятором 5, и не зависит от стабильности длительности импульсов генератора 1. Затем напряжение прямоугольной формы подается на вход интегрирующего усилителя 16, где преобразуется в переменное напряжение треугольной формы, которое подается на неинвер тирующий вход усилителя 17 напряжения, с включенными двумя бесконтактными ключами 18 и 19 в цепи (ООС), которые являются элементами коммутатора, осуществляющего подключение опорного переменного напряжения к общей точке элементов 20; — 24, контролируемой схемы 25. Учитывая свойство

ОУ подцерживать на своих входах одинаковое напряжение с высокой точностью, а также. то, что входной ток современных ОУ составляет единицы ианоампер, можно видеть, что напряжение в точке соединения открытых ключей будет с высокой точностью повторять напряжение на неинвертирующем входаОУ17

Таким образом, на входы 26, 27 и 28 блоков уравновешивания будет подаваться пере. менный ток, значение которого равно произведению величины переменного натяжения с входа ОУ 17 на значение сумм рной проводимости соответствующего элемента 20 или

21, 22 или 23, 24 контролируемой схемы 25.

Так как усилитель 31 включен по схеме усилителя тока, то падение напряжения на образцовом резисторе 32 прямопропорционально значению суммарной проводимости элементов

23 и 24 и не зависит от зла . ний сопротивлений открытых ключей 29 и 30. Учитывая свойство, ОУ, рассмотренное выше, потенциал напряжения на входах 26 и 27 будет стремиться к нулю, так как неинвертирующие входы усилителей заземлены, что позволяет электрически развязать измеряемые двухполюсники и тем самым исключить шунтирующее влияние других элементов схемы

25. Падение напряжения на резисторе 32 будет прямопропорциоиально разности токов, протекающего через элементы 23 и 24 и компенсирующего тока, протекающего по резистору 33. Это падение напряжения, будучи усиленным, с помощью усилителя 34 пода- . ется на два канала демодуляции, причем ФЧЭ

35 выделяет синфаэную составляющую напряжения, пропорциональную активной проводимости элемента 23, а ФЧЭ 36 — квадратурную составляющую, пропорциональную емкостной проводимости элемента 24. Выделенные постоянные напряжения. с выходов элементов

35 н 36. цодачтся на модуляторы 39 и 40, 849082 8 формирующие переменное напряжение прямоугольной формы, с фазовой сввпадающей с напряжением на выходе модулятора 5, что достигается за счет подачи на управляющие входы модуляторов 5, 39 и 40 прямоугольного напряжения с выхода счетного триггера

3. Обеспечение 90 сдвига фазы напряжения на выходе тризтера 4 вЬшолняется за счет использования запускающего фронта им- пульса противоположной полярности чем для 10 триггера 3. Таким образом, на выходах триггеров 3 и 4 формируются два переменных напряжения импульсов со скважностью, равной 2 и сдвинутых на 90 друг относительно друга; 15

Переменное напряжение с выхода модулятора 39 подается на интегрирующий усилитель

41, где формируется компенсирующее напряжение треугольной формы, где суммируезся с прямоугольным напряжением со входа модулятора 40 с помощью усилителя 42, которое затем подается через образцовый резистор

33 в точку компенсации.

Таким образом, на выходах ФЗЧ 35 и 36 формируются постоянные напряжения, пропорциональные сопротивлению элемента 23 и емкости элемента 24, которые с выходов 37 и

38 соответственно поступают на блок 47 отсчетных устройств. Аналогичные элементы содержат блоки 10 и ll, где на выходах 43 и 44 формируются постоянные напряжения, пропорциональные реэистивной проводимости элемента 21 и емкосзной проводимости элемента 22, а на выходе 45 формируется постоянное напряжение, пропорциональное проводимости элемента 20. В общем случае число блоков уравновешивания может быть равно суммарному числу измеряемых одно или двухэлементных двухполюсников, имеющих щу у д д ру з пр 40 жения, что позволяет уменьшить среднее время измерения одного двухполюсника в

N-раз, где N — равно числу блоков уравновеншваиия. При этом обеспечивается развязка измеряемьгх проводимостей (за счет исключе 4> ния взаимного влияния блоков уравновешивани» и шунтирующего действия других элементов в схеме 25), что достигается обеспечением нулевого потенциала на всех, входах блоков уравновешивания. Использование бес50 контактных ключей, обеспечивающих подключение измерительного устройства к контролируемой схеме 25, позволяет не только повысить быстродействие устройства измерений, ио и надежность. АИС в целом, эа счет исключения из системы механических ключей комму. затора. Применение в качестве тестирующего переменного напряжения треугольной формы, получаемого из прямоугольного, позволяет сравнительно просто реализовать высокоточ: ные элементы модуляторов, которые могут быть выполнены по схеме двухполупериодных фазочувствнтельных детекторов а также обеспечить частотно-независимый фазовый сдвиг напряжений, управляющих работой ФЧЭ и модуляторов.

Формула изобретения

Компенсационное устройство для измерения параметров. элементов сложных электрических цепей, содержащее усилитель сравнения напряжения, выход которого соединен с двумя фазочувствительными элементами, выходы которых соединены с блоками отсчетиых устройств и через модуляторы подключены ко входам суммирующего усилителя, выход которого через первый образцовый резистор присоединен к первому входу усилителя сравнения напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия измерений параметров элементов сложных электрических цепей и надежности устройства, оно снабжено генератором прямоугольных импульсов, делителем частоты, двумя счетными триггерами, источником постоянного напряжения, . модулятором, интегрирующим усилителем, усилителем напряжения с двумя бесконтактными ключами в цепи отрицательной. обратной связи, блоками уравновешивания по числу одновременно измеряемых параметров с усилителем напряжения на входе, с двумя ключами и вторым образцовым резистором в цепи отрицательной обратной связи, и с интегратором, общий вывод для подключения элементов контролируемой схемы соединен с двумя первыми бесконтактными ключами, второй вывод одного из них подключен к инвертирующему входу первого усилителя напряжения, выход которого соединен со вторым выводом второго ключа, а неинвертирующий вход подключен к выходу первого интегрирующего усилителя, вход которого через третий модулятор соединен с источником постоянного иаиряження, а выход генератора прямоугольных иьшульсов через делитель частоты подключен ко входам двух счетных триггеров, причем выход одного из них соединен со входом третьего модулятора и вторыми входами блоков уравновешивания, выход второго триггера подключен к третьим входам блоков уравновешивания, первые входы которых соединены со вторыми входами элементов контролируемой схемы, кроме того, первый вход первого блока уравновешивания соединен с общими выводами двух вторых ключей, вто.рой вывод одного ключа подключен к ин-!

849082

10 вертирующему входу второго усилителя напряжения, а второй вывод второго ключа соединен с выводами двух образцовых резисторов и первым входом усилителя сравнения напряжения, второй вход которогосоединен с выходом второго усилителя напряжения и вторым выводом второго образцового ,ключа, интегрирующий усилитель включен меж. ду одним из входов суммирующего усилителя и выходом первого модулятора, причем управляющие входы модуляторов и второго фаз чувствительного элемента подключены ко второму входу блока уравновешивания, а управляющий вход первого фазочувствительного элемента соединен.с третьим входом этого блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Гаврилюк М. А. и др. Электронные измерители С, L, R. Львов, Вища школа", 1978, с. 59.

2. Авторское свидетельство СССР и 490361, кл. G 01 R 27/02, 1978.

3. Алиев Т. М. и др. Автокомпенсационные измерительные устройства переменного тока.

М., "Энергия", 1977, с. 302, (прототип).