МНОГОПЛЕЧИЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ ПО ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ GLC-СХЕМЕ И СПОСОБ ЕГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ ПО ТРЕМ ПАРАМЕТРАМ Российский патент 2000 года по МПК G01R17/12 G01R27/02 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а конкретно к мостовым методам измерения на переменном токе параметров трехэлементных двухполюсников, схема которых содержит образцовый резистор, параллельно соединенный с последовательно включенными элементами L, C, причем все три параметра GLC - схемы не зависят от частоты.

Известен выбранный в группе изобретений аналог - частотно-независимый одинарный трансформаторный мост (см., например, книгу А.А.Кольцова "Электрические схемы уравновешивания", М. : "Энергия", 1976 г., стр. 158, рис. 5.16а), который может использоваться для измерения параметров параллельно-последовательных GLC-двухполюсников и принятый за прототип. Недостаток прототипа заключается в необходимости применения идеальной регулируемой индуктивности в плече сравнения, схема которого такая же, что и у измеряемого двухполюсника. Реальные элементы L (т.е. катушки индуктивности) имеют значительное сопротивление потерь и плечо сравнения, поэтому является практически четырехэлементным, т. е. не соответствующим GLC - схеме объекта измерения. Указанное не позволяет использовать частотно-независимое состояние равновесия моста как наиболее точное и обеспечивающее раздельный отсчет трех измеряемых параметров GLC-двухполюсников по значениям трех регулируемых параметров G, L, C плеча сравнения, что является недостатком прототипа и препятствует получению высокой точности измерения. Кроме того, защита прототипа от емкостей утечки, от шунтирующих емкостей элементов коммутации, используемых для регулирования элементов G, L, C плеча сравнения, а также компенсации паразитных параметров регулируемых элементов G, L, C чрезвычайно затруднены, вследствие чего значительно снижается точность измерения параметров параллельно-последовательных GLC-двухполюсников и является вторым недостатком прототипа.

Отмеченные недостатки не позволяют в прототипе достигнуть указанный ниже единый технический результат в заявленной группе изобретений.

Известен аналог способа в группе изобретений - способ уравновешивания по трем параметрам (см. а. с. N 945806 (СССР). МКИ G 01 R 17/10, Б.И. N 27, 1982), обеспечивающий достижение частотно-независимого состояния равновесия моста и в случае измерения параметров GLC-двухполюсников и принятый за прототип. Первый недостаток прототипа заключается в использовании при его реализации фазочувствительного нуль-индикатора, уступающего по чувствительности амплитудному нуль-индикатору, что препятствует достижению наивысшей точности измерения по мостовому методу. Второй недостаток прототипа заключается в том, что используемое по нему соответствие между знаками информативных проекций сигнала разбаланса и отклонениями регулируемых трех параметров при изменении в процессе уравновешивания соотношений между ними не остается от операции к операции однозначным. Это соответствие может быть не однозначным даже при проведении одной операции прототипа. Вследствие этого необходим постоянный контроль за указанным соответствием знаков, что весьма усложняет и затягивает измерительную процедуру по прототипу. Отмеченные два недостатка также препятствуют в известном способе - прототипе достижению указанного ниже единого технического результата заявленной группы изобретений.

Технический результат заявленной группы изобретений заключается в обеспечении высокой точности измерения параметров трехэлементных двухполюсников по параллельно-последовательной GLC-схеме при малой его продолжительности.

Этот единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству достигается в многоплечем трансформаторном мосте переменного тока, состоящем из основного трансформатора напряжения с тесной индуктивной связью, подключенного первичной обмоткой к генератору синусоидального напряжения перестраиваемой частоты, первая из заземленных трех вторичных обмоток которого через первый образцовый резистор подсоединена к первой из заземленных трех первичных обмоток компаратора токов с тесной индуктивной связью, к индикаторной заземленной обмотке которого подсоединен избирательный амплитудный нуль-индикатор, а также состоящем из прецизионных дифференциатора, интегратора, сумматора напряжений, вспомогательного трансформатора напряжения с тесной индуктивной связью между двумя заземленными обмотками.

Особенность устройства в заявленной группе изобретений заключается в том, что вторая вторичная обмотка основного трансформатора напряжения через прецизионный дифференциатор, а третья его вторичная обмотка через вспомогательный трансформатор напряжения и каскадно с ним включенный прецизионный интегратор подсоединены порознь ко входам прецизионного сумматора напряжений, к выходному зажиму которого также порознь через второй образцовый резистор, через измеряемый двухполюсник подсоединены соответственно вторая и третья первичные обмотки компаратора токов, причем вторая вторичная обмотка основного трансформатора напряжения, первичная обмотка вспомогательного трансформатора напряжения, а также вторая первичная обмотка компаратора токов выполнены регулируемыми.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается в способе уравновешивания по трем параметрам, содержащем на частотах измерения операции уравновешивания путем регулировки двух параметров и путем регулировки одного параметра.

Особенность способа заявленной группы изобретений заключается в том, что сначала на частоте, большей частоты отсчета измеряемых параметров, проводят операцию уравновешивания моста по двум параметрам с углом сходимости по ним, равным 90^o, а затем на частотах, меньших и больших частоты отсчета, поочередно проводят операции уравновешивания, соответственно, по параметру для отсчета измеряемой емкости и по параметру для отсчета измеряемой индуктивности.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - способ предназначен для осуществления другого объекта группы - устройства. При этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах заявленной группы изобретений, как для объекта-устройства, так и для объекта-способа, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для устройства заявленной группы, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам как устройства, так и способа заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов, как для устройства, так и для способа заявленной группы изобретений, как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от выбранных аналогов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата, в частности, в каждом из объектов заявленной группы изобретений не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществляется на основе известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемая группа изобретений не основана на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида, имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже показано устройство в заявленной группе изобретений, представляющее собой многоплечий трансформаторный мост переменного тока, содержащий: основной трансформатор напряжения 1 с тесной индуктивной связью между заземленными его обмотками, подсоединенный зажимами 2 своей первичной обмотки w₀ к генератору 3 синусоидального напряжения U_г, перестраиваемой частоты; вспомогательный трансформатор напряжения 4 с тесной индуктивной связью между заземленными его первичной обмоткой m₁ и вторичной обмоткой m₂; прецизионный интегратор 5 на операционном усилителе ОУ1 и образцовых резисторов R₅ и конденсаторе C₅; прецизионный дифференциатор 6 на операционном усилителе ОУ2 и образцовых резисторе R₆ и конденсаторе C₆; прецизионный сумматор напряжений 7 на операционном усилителе ОУ3 и трех образцовых резисторах r, своими входными зажимами 8 и 9 подсоединенный соответственно к выходам прецизионных интегратора 5 и дифференциатора 6; выходной зажим 10 сумматора 7; измеряемый двухполюсник 11, в одной из двух параллельных ветвей схемы которого находится проводимость G_x, а в другой ветви находятся последовательно соединенные индуктивность L_x и емкость C_x; компаратор токов 12 с тесной индуктивной связью между его заземленными первичными обмотками n₁, n₂, n₃ и индикаторной обмоткой n_и; избирательный амплитудный нуль-индикатор 13 (или экстремальный нуль-индикатор), включенный между выходным зажимом 14 индикаторной обмотки n_и и ее заземленным зажимом 15. Дополнительно обозначено: - ток, протекающий по ветви с образцовым резистором R₁, т.е. по плечу сравнения, включенному между выходным зажимом 16 вторичной обмотки w₁ основного трансформатора 1 и входным зажимом 17 первичной обмотки n₁ компаратора токов 12; ток, протекающий по ветви с образцовым резистором R₂ между выходным зажимом 10 прецизионного сумматора напряжений 7 и входным зажимом 18 первичной обмотки n₂ компаратора токов 12; ток, проходящий через измеряемый двухполюсник 11 по ветви между выходным зажимом 10 прецизионного сумматора напряжений 7 и входным зажимом 19 первичной обмотки n₃ компаратора токов 12; ток, проходящий через нуль-индикатор 13; напряжение, снимаемое со вторичной обмотки w₁ основного трансформатора 1, для питания ветви с образцовым резистором R₁; напряжение между выходным зажимом 10 прецизионного сумматора 7 и его заземленным зажимом 20; w₂, w₃ - вторичные обмотки основного трансформатора 1, к которым соответственно подсоединены входная цепь прецизионного дифференциатора 6 и первичная обмотка m₁ вспомогательного трансформатора 4; m₂ - вторичная обмотка трансформатора 4, к которой подключена входная цепь прецизионного интегратора 5.

Операционные усилители ОУ1, ОУ2, ОУ3 имеют достаточно большой коэффициент усиления, достаточно большое входное сопротивление и достаточно малое выходное сопротивление, позволяющее рассматривать их как идеальные.

Образцовые резисторы R₁ и R₂ рассматриваются в заявке как идеальные, поскольку их остаточные параметры в многоплечем трансформаторном мосте легко компенсируются.

Трансформаторы 1, 4 и компаратор 12 имеют достаточно малые индуктивности рассеяния и активные сопротивления, пропорциональные числам витков их обмоток, а первичная обмотка w₀ подключена к генератору с малым выходным сопротивлением.

Для выполнения этого условия напряжения с обмоток w₁, w₂, m₂ могут сниматься через точные повторители напряжения с пренебрежимо малым выходным сопротивлением.

Работа заявленного устройства и способ его уравновешивания осуществляется следующим образом. Напряжение, снимаемое с зажимов вторичной обмотки w₁ основного трансформатора 1, и напряжение на выходе прецизионного сумматора 7 равны


а токи записываются в виде



где комплексная проводимость объекта измерения
Y_x= G_x+1/(jωL_x+1/jωC_x). (6)
Если показания амплитудного нуль-индикатора 13 являются нулевыми, то для компаратора токов 12 справедливо следующее равенство магнитодвижущих сил (МДС)

Если при этом выполняется равенство МДС

а также равенство МДС

при любом значении частоты, то производится отсчет измеряемых параметров по формулам (находимым на основе равенств (8), (9) с учетом (1), (3)), а именно:
G_x = (1/R₂n₃)n_2,0; (10)
L_x = (C₆R₆n₃R₁/w₁n₁)w_2,0; (11)
C_x = (R₅C₅w₁n₁/R₁m₂n₃w₃)m_1,0, (12)
где n_2,0, w_2,0, m_1,0 - отсчеты чисел витков регулируемых обмоток n₂, w₂, m₁.

Как следует из формул (10) - (12) и чертежа, заявленный мост характеризуется раздельным отсчетом измеряемых параметров G_x, L_x, C_x трехэлементного двухполюсника, имеющего параллельно-последовательную GLC-схему, по числам витков заземленных регулируемых обмоток n₂, w₂, m₁ компаратора 12 и трансформаторов 1, 4 с тесной индуктивной связью, вследствие чего он свободен от шунтирующего влияния емкостей элементов коммутации и емкостей утечек. Свободен заявленный мост также от влияния остаточных параметров образцового резистора R₁ в плече сравнения 16 - 17, а состояние его равновесия, в котором производится отсчет измеряемых параметров, является частотно-независимым, т.е. наиболее точно фиксируемым. Благодаря указанным трем свойствам заявленный мост свободен от недостатков первого аналога и обеспечивает по сравнению с ним достижение наивысшей точности измерения параметров GLC-двухполюсников по мостовому методу.

Относительные чувствительности заявленного моста, как в частотно-зависимом, так и в частотно-независимом его состоянии по регулируемым параметрам w₂, m₁ на основании выражения для МДС индикаторной обмотки (в предположении, что сопротивление амплитудного нуль-индикатора 13 достаточно мало), записываемого как

а также выражений (3) - (5) для токов выражений (1), (2) для напряжений записываются в следующем виде:


Из отношения этих чувствительностей

следует, что относительная чувствительность моста по параметру w₂ по сравнению с относительной его чувствительностью по параметру m₁ растет в функции квадрата частоты (выражение (15), отметим, является точным). Поэтому способ уравновешивания заявленного устройства заключается в следующем.

Первое уравновешивание моста осуществляют на частоте ω₁= k₁ω₀, где ω_0/- частота, на которой производится отсчет измеряемых параметров, а коэффициент пропорциональности k₁ > 1. Регулируемыми параметрами являются числа витков w₂, n₂, а значение параметра m = const. Напряжение определяется по формуле (1), а напряжение - по формуле (2), в которой m₁ = const. По достижении равновесия моста справедливо равенство (7) и значения переменных n₂, w₂ в конце первого уравновешивания моста получают равными
n_2,1 = n₃G_xR₂, (17)
w_2,1= αL_x(1-1/k21

β), (18)
где
α = w₁n₁/R₁C₆R₆n₃, (19)
β = ω20C_xL_x. (20)
Из сопоставления (17) и (10) видно, что полученное значение n_2,1 = n_2,0. Следовательно, по окончании первого уравновешивания моста на частоте ω₁ выполняется равенство МДС (8), и производят отсчет n₂ = n_2,0.

Второе уравновешивание моста проводят на частоте ω₂= k₂ω₀, где k₂ < 1, регулировкой числа витков m₁ при n₂ = n_2,1 = n_2,0 и при напряжении , определяемом выражением (2), в котором w₂ = w_2,1, т.е. в котором используется отсчет числа витков обмотки w₂, полученного в конце первого уравновешивания и определяемого по (18). Поскольку при n₂ = n_2,0 выполняется равенство (8), то для достижения равновесия моста на частоте ω₂ при втором уравновешивании моста достаточно регулировать только параметр m₁. По достижении нулевого показания нуль-индикатора 13 справедливо равенство МДС (9), из которого с учетом (2), (3), (18), (20) получают отсчет числа витков обмотки m₁, равный
m_1,2= C_xγ/(1-k22

/k21), (21)
где

Третье уравновешивание моста проводят на частоте ω₃= k₃ω₀, где k₃ > 1, при n₂ = n_2,0 (т.е. при выполнении равенства (8)) регулировкой числа витков w₂ при числе витков m₁ = m_1,2, определяемом по (21). По достижении нулевого показания нуль-индикатор 13 выполняется равенство МДС (9), из которого с учетом (2), (3), (20), (21) получают отсчет числа витков обмотки w₂, равный
w_2,3= αL_x(1-k22/ββ21k23). (23)
Четвертое уравновешивание аналогично второму: ω₄= k₄ω₀, где k₄ < 1; n₂ = n_2,0 (т. е. при выполнении равенства (8)), при w₂ = w_2,3. Из равенства (9), достигаемого регулировкой параметра m₁, с учетом (2), (3), (20), (23) по нулевому показанию нуль-индикатора 13 получают отсчет числа витков обмотки m₁, равный
m_1,4= C_xγ/(1-k22k24/k21k23). (24)
Пятое, шестое и следующие уравновешивания моста проводятся аналогично. После s уравновешиваний (s - нечетное) получают отсчет

При четном s получают отсчет

В формулах (25), (26) выражения в квадратных скобках с ростом s стремятся к единице. Поэтому число s необходимых поочередных уравновешиваний моста при частотах, больших частоты ω₀ и меньших ее, определяется из выражения

где допустимая относительная погрешность отсчета числа витков w₂, или по формуле

где допустимая относительная погрешность отсчета числа витков m₁.

Если, например. = 0,001, все k_i = 2, а все k_j = 0,5, то имеем всего s = 5 уравновешиваний моста.

Для уменьшения числа s следует брать значения k_i, значительно превосходящие 1, а k_j брать значительно меньше 1. Отметим, что значения k_i, k_j определяются полосой частот, для которой параллельно-последовательная GLC-схема замещения является адекватной объекту измерения.

Отметим также, что только при первом уравновешивании регулируются два параметра w₂, n₂ (угол сходимости по ним равен 90^o при прямых линиях уравновешивания). Второе и последующие уравновешивания проводят по одному параметру: либо по m₁, либо w₂.

Если первое уравновешивание было закончено не при достаточно малом пороге чувствительности избирательного амплитудного нуль-индикатора 13, то при втором (или даже еще и третьем) уравновешивании моста проводится коррекция отсчета n_2,0 с тем, чтобы эти 2-е и 3-е уравновешивания моста заканчивались при минимальном пороге чувствительности избирательного нуль-индикатора 13. Эти коррекции осуществляются в младших разрядах параметра n₂, что позволяет считать только первое уравновешивание моста проводимым по двум параметрам, а все остальные (s-1) уравновешиваний следует считать проводимыми по одному параметру, т.е. значительно проще и быстрее, чем первое уравновешивание. Поскольку первое уравновешивание проводится так же, как и уравновешивание известных цифровых экстремальных мостов для измерения по двухэлементной схеме замещения, а число (s-1) уравновешиваний по одному параметру является небольшим, то необходимое число тактов уравновешивания при реализации заявляемого способа уравновешивания моста по трем параметрам сопоставимо с числом тактов уравновешивания известных цифровых экстремальных мостов для измерения по двухэлементной схеме, т.е. сходимость процесса уравновешивания по трем параметрам в заявленном способе является хорошей.

Таким образом, в заявленном способе обеспечена хорошая сходимость по трем параметрам (n₂, w₂, m₁) при получении частотно-независимого равновесия моста по показаниям избирательного амплитудного нуль-индикатора 13, т.е. в нем устранены оба недостатка второго прототипа.

Отметим, что значения w_2,s, m_1,s, определяемые по формулам (25), (26), совпадают с отсчитываемыми по достижении частотно-независимого состояния равновесия моста значениями w_2,0, m_1,0. Для этого достаточно сопоставить формулы (25), (26) с формулами (11), (12) и учесть выражения (19), (22) для α и γ.

На основании совокупности отмеченных положительных признаков как моста, так и способа его уравновешивания по сравнению с первым и вторым прототипами, заявленная группа изобретений обеспечивает высокую точность измерения параметров трехэлементных двухполюсников по параллельно-последовательной GLC-схеме при малой его продолжительности, т.е. в этой группе достигнут указанный выше единый технический результат.

Реализация заявляемого устройства не представляет принципиальных затруднений, так как в нем используются те же высококачественные трансформаторные узлы с тесной индуктивной связью, прецизионные интегратор, сумматор напряжений, а также образцовые резисторы, что и в известных многоплечих трансформаторных мостах для измерения по двухэлементной схеме. Использование прецизионного дифференциатора, заметим, также не вызывает затруднений благодаря применению в процессе уравновешивания избирательного амплитудного нуль-индикатора. Реализация заявляемого способа уравновешивания, использующего амплитудный нуль-индикатор, также не вызывает затруднений, т.к. процесс уравновешивания по двум параметрам и тем более процессы уравновешивания по одному параметру, из которых состоит алгоритм уравновешивания по трем параметрам, легко могут быть автоматизированы.

Использование: в электроизмерительной технике, в мостовых методах измерения на переменном токе параметров трехэлементных двухполюсников. Технический результат заключается в обеспечении высокой точности измерения параметров трехэлементных двухполюсников по параллельно-последовательной GLC-схеме при малой его продолжительности. Он достигается посредством раздельного отсчета измеряемых параметров по числам коммутируемых витков заземленных обмоток трансформаторов напряжения с тесной индуктивной связью. Применение постоянного измерения сопротивления в плече сравнения и амплитудного нуль-индикатора в измерительной диагонали многоплечего трансформаторного моста достигается в заявленном способе уравновешивания этого моста, по которому на частоте, большей заданной частоты отсчета измеряемых параметров, проводят процесс уравновешивания по двум разнородным параметрам. Затем на частотах, меньших и больших заданной частоты, поочередно проводят процессы уравновешивания по параметру для отсчета измеряемой емкости и по параметру для отсчета измеряемой индуктивности. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Многоплечий трансформаторный мост переменного тока для измерения параметров трехэлементных двухполюсников по параллельно-последовательной GLC-схеме, состоящий из основного трансформатора напряжения с тесной индуктивной связью, подключенного первичной обмоткой к генератору синусоидального напряжения перестраиваемой частоты, первая из заземленных трех вторичных обмоток которого через первый образцовый резистор подсоединена к первой из заземленных трех первичных обмоток компаратора токов с тесной индуктивной связью, к индикаторной заземленной обмотке которого подсоединен избирательный амплитудный нуль-индикатор, а также состоящий из прецизионных дифференциатора, интегратора, сумматора напряжений, вспомогательного трансформатора напряжения с тесной индуктивной связью между двумя заземленными обмотками, отличающийся тем, что вторая вторичная обмотка основного трансформатора напряжения через прецизионный дифференциатор, а третья его вторичная обмотка через вспомогательный трансформатор напряжения и каскадно с ним включенный прецизионный интегратор подключены порознь ко входам прецизионного сумматора напряжений, к выходному зажиму которого также порознь через второй образцовый резистор, через измеряемый двухполюсник подсоединены соответственно вторая и третья первичная обмотки компаратора токов, причем вторая вторичная обмотка основного трансформатора напряжения, первичная обмотка вспомогательного трансформатора напряжения, а также вторая первичная обмотка компаратора токов выполнены регулируемыми. 2. Способ уравновешивания по трем параметрам многоплечего трансформаторного моста переменного тока, содержащий операции уравновешивания на задаваемых частотах путем регулировки двух параметров и путем регулировки одного параметра, отличающийся тем, что сначала на частоте, большей частоты отсчета измеряемых параметров, проводят операцию уравновешивания моста по двум параметрам с углом сходимости по ним, равным 90^o, а затем на частотах, меньших и больших частоты отсчета, поочередно проводят операции уравновешивания соответственно по параметру для отсчета измеряемой емкости и по параметру для отсчета измеряемой индуктивности.