СПОСОБ РАЗДЕЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ N-ЭЛЕМЕНТНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ МНОГОПЛЕЧИМ ТРАНСФОРМАТОРНЫМ МОСТОМ Российский патент 2001 года по МПК G01R17/10 G01R27/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно, к мостовым методам измерения на переменном токе параметров n-элементных двухполюсников, схема замещения которых состоит из параллельно включенных ветвей.

Известен способ раздельного измерения параметров n-элементных двухполюсников мостом переменного тока (см. а.с. N 158627 (СССР), МКИ² G 01 R 27/02, Б.И. N 22, 1963 г.), по которому мост питают от генератора качающейся частоты. По углу и ширине эллипса, появляющегося при качании частоты на экране осциллографа, включенного по фазочувствительной схеме в измерительную диагональ моста, проводят ряд повторных уравновешиваний моста на заданной частоте регулировками двух параметров. По достижении частотно-независимого состояния равновесия производят раздельный отсчет измеряемых параметров по значениям регулируемых параметров n-элементного плеча сравнения, выполненного по схеме измеряемого двухполюсника. Недостаток этого способа, выбранного в качестве аналога, заключается в низкой точности измерения из-за весьма большого порога чувствительности широкополосного нуль-индикатора, каковым является отмеченный осциллограф для наблюдения за эллипсом при качании частоты. Другой недостаток аналога заключается в существенной ограниченности его функциональных возможностей. Обусловлено это сложным и длительным процессом уравновешивания по n регулируемым параметрам, так как уже при n = 3 нет однозначного соответствия между углом наклона эллипса на экране и знаком отклонения регулируемого по этому эллипсу параметра трехэлементного плеча сравнения. При n > 3 частотно-независимого равновесия моста добиться чрезвычайно трудно.

Известен выбранный за прототип способ раздельного измерения параметров n-элементных двухполюсников мостом переменного тока по а. с. N 1599803 (СССР), МКИ⁵ G 01 R 27/02, Б.И. N 38, 1990 г., состоящий из двух этапов. На первом этапе способа проводят ряд уравновешиваний моста на n/2 заданных частотах, если число n измеряемых параметров четное, и на (n+1)/2 частотах, если n нечетное число, регулировками двух дополнительных параметров плеча сравнения, отсчитывают значения активной и реактивной составляющих импеданса плеча измерения, вычисляют по ним параметры образцового двухполюсника. На втором этапе способа проводят серии повторных уравновешиваний моста с упомянутым образцовым двухполюсником в плече сравнения регулировками отмеченных двух дополнительных параметров этого плеча на заданных частотах. Перед проведением каждой очередной серии повторных уравновешиваний моста устанавливают значения параметров образцового двухполюсника, которые вычисляют по отсчетам упомянутых двух дополнительных регулируемых параметров, а также по значениям активной и реактивной составляющих импеданса образцового двухполюсника при предыдущих уравновешиваниях. Серии повторных уравновешиваний проводят до получения нулевых показаний избирательного амплитудного нуль-индикатора на заданных частотах измерения при нулевых значениях дополнительных параметров плеча сравнения.

Недостаток прототипа заключается в том, что по нему раздельный отсчет измеряемых n параметров осуществляют по значениям основных параметров n регулируемых резисторов и конденсаторов, из которых собран образцовый двухполюсник по схеме замещения объекта измерения. Остаточные параметры этих регулируемых резисторов и конденсаторов, паразитные емкости элементов коммутации, с помощью которых устанавливают вычисленные значения параметров образцового двухполюсника, а также емкости утечки между внутренними узлами схемы образцового двухполюсника и его заземленным экраном являются источниками погрешности измерения, защита от которых моста, реализующего измерения по прототипу, а также учет которых при проведении вычислений весьма усложнены. Указанный недостаток прототипа может значительно ограничить точность измерения параметров n-элементных двухполюсников мостовым методом.

Сущность изобретения заключается в повышении точности измерения параметров n-элементного двухполюсника посредством их раздельного отсчета по числам витков в частотно-независимом состоянии равновесия многоплечего трансформаторного моста.

Этот технический результат при осуществлении изобретения достигается в известном по а. с. N 1599803 способе раздельного измерения параметров n-элементного двухполюсника с помощью многоплечего трансформаторного моста, содержащем операции уравновешивания при синфазном питании плеч сравнения и измерения регулировками чисел витков двух дополнительных плеч отношения этого моста с углом сходимости по ним, равным 90^o, на n/2, если число n измеряемых параметров четное, и на (n+1)/2 частотах, если n - нечетное, с последующим проведением серий повторных уравновешиваний регулировками чисел витков отмеченных двух дополнительных плеч отношения до получения их нулевых значений.

Особенность заключается в том, что перед проведением каждой серии повторных уравновешиваний формируют напряжение питания плеча сравнения, изменяющееся с частотой, подобно частному от деления комплексной проводимости плеча измерения на комплексную проводимость плеча сравнения, путем установки чисел витков n регулируемых основных плеч отношения, которые вычисляют по активной и реактивной его составляющим относительно напряжения питания плеча измерения и по отсчетам чисел витков упомянутых двух регулируемых дополнительных плеч отношения при предыдущей серии повторных уравновешиваний, а раздельный отсчет измеряемых параметров осуществляют по числам витков указанных n регулируемых основных плеч отношения моста.

Проведенный заявителями анализ уровня техники, включающий в себя поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, содержащим сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявители не обнаружили источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителями техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявители провели дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителями, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
дополнение известного способа какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
создание способа, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществляются на основе известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого способа и связей между ними.

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

Следовательно, заявленный способ соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже показана схема многоплечего трансформаторного моста, реализующего заявленный способ в случае измерения параметров двухполюсника, состоящего из параллельно включенных ветвей и описываемого поэтому комплексной проводимостью Y_x.

На чертеже обозначено: 1 - основной трансформатор, снабженный первичной обмоткой w_г и шестью вторичными обмотками w_П, w₁ - w₅; 2 - плечо измерения с измеряемым пятиэлементным двухполюсником, схема которого содержит параллельно включенные одноэлементную ветвь с конденсатором C_0x и две двухэлементные ветви с резисторами R_1x, R_2x с последовательно им включенными конденсаторами C_1x, C_2x; 3 - плечо сравнения с образцовой постоянной мерой емкости C_N; 4 - компаратор токов с четырьмя первичными обмотками l₁-l₄ и индикаторной обмоткой l_И; 5 - формирователь напряжения, составленный из вторичных обмоток w₅, w₁ основного трансформатора 1, к первой из которых через образцовые резисторы R₅ подключены прецизионные операционные усилители ОУ1, ОУ2, цепи обратных связей которых содержат трансформаторы напряжения 6, 7, 8, 9 и образцовые резистор R, конденсатор C, а ко второй из которых и к выходам упомянутых операционных усилителей подключен прецизионный сумматор напряжений 10, выполненный на основе операционного усилителя ОУЗ и четырех образцовых резисторов r; 11 - переключатель на два положения: "П" и "В"; 12 - заземленный источник синусоидального напряжения перестраиваемой частоты, подключенный к зажиму 13 первичной обмотки w_г основного трансформатора 1; 14 и 15 - зажимы плеча измерения 2, которыми оно подключено к выходу вторичной обмотки w₂ основного трансформатора 1 и ко входу первичной обмотки l₂ компаратора 4; 16, 17 - входной, выходной зажимы плеча сравнения 3; 18 - выходной зажим сумматора 10; 19 - входной зажим сумматора 10, к которому подключена обмотка w₁ основного трансформатора 1; 20, 21 - входные зажимы сумматора 10, подсоединенные к выходам операционных усилителей ОУ1, ОУ2, нагруженных на первичные обмотки m трансформаторов 6, 8; 22 - избирательный амплитудный нуль-индикатор, настраиваемый на заданные частоты измерения. На чертеже также обозначены: w₁, p₁, q₁, p₂, q₂ - регулируемые основные плечи отношения моста, являющиеся обмотками трансформаторов напряжения 1, 6, 7, 8, 9 в схеме формирователя напряжения 5; l₃, l₄ - регулируемые дополнительные плечи отношения моста, являющиеся обмотками компаратора токов 4 и имеющие заземленную среднюю точку; w₂, w₅, m, l₁, l₂ - нерегулируемые основные плечи отношения моста, являющиеся обмотками трансформаторов 1, 6, 7, 8, 9 и компаратора 4; w_п - нерегулируемое вспомогательное плечо отношения моста, являющееся вторичной обмоткой трансформатора 1, используемой для питания ветви с обмоткой l₁ компаратора 4 в положении "П" переключателя 11; w₃, w₄ - нерегулируемые дополнительные плечи отношения моста, являющиеся вторичными обмотками трансформатора 1; - токи плеч соответственно сравнения, измерения и дополнительных плеч отношения l₃, l₄; - ток, проходящий через индикатор 22; R₃, C₄ - образцовые резистор и конденсатор в цепях дополнительных плеч отношения l₃, l₄.

Трансформаторы напряжения 1, 6, 7, 8, 9, компаратор токов 4 выполнены с тесной индуктивной связью между своими заземленными обмотками и рассматриваются как идеальные, то есть как имеющие пренебрежимо малые активные сопротивления и индуктивности рассеяния обмоток. Для выполнения этого условия напряжения со вторичных обмоток трансформаторов 1, 6, 7, 8, 9 могут сниматься через точные повторители напряжения с пренебрежимо малым выходным сопротивлением, а амплитудный нуль-индикатор 22, подключенный к индикаторной обмотке l_И, берется с достаточно малым входным сопротивлением. Рассматривается как идеальный и сумматор напряжений 10, то есть как имеющий достаточно большое входное сопротивление по своим входам 19, 20, 21 и пренебрежимо малое выходное сопротивление со стороны зажима 18. Для выполнения этого условия также могут быть использованы точные повторители напряжения в его входных цепях и выходной цепи. В заявке как идеальные рассматриваются меры сопротивления и емкости, поскольку их остаточные параметры в многоплечем трансформаторном мосте легко компенсируются. Рассматриваются как идеальные операционные усилители ОУ1, ОУ2, то есть как имеющие достаточно большие входное сопротивление, коэффициент усиления и достаточно малое выходное сопротивление.

Измерительное состояние моста (чертеж) по заявленному способу является частотно-независимым и описывается при нулевых значениях чисел витков l₃=0 и l₄= 0 регулируемых дополнительных плеч отношения l₃, l₄ следующим уравнением магнито-движущих сил (м.д.с.) компаратора 4:

В уравнении (1) ток плеча измерения 2 равен

где измеряемая комплексная проводимость записывается как

В уравнении (1) ток плеча сравнения 3 равен

где подводимое в положении "В" переключателя 11 к плечу сравнения 3 выходное напряжение формирователя 5

представляет собой произведение э.д.с. одного витка /w_г трансформатора 1 на передаточную функцию формирователя 5

В дробно-рациональной функции (6) коэффициенты перед степенями переменной jω следующие:
A₀ = w₁ + T(p₁ + p₂); (7)
A₁ = w₁(τ₁+τ₂)+p₁Tτ₂+p₂Tτ₁; (8)
A₂ = w₁τ₁τ₂; (9)
B₂ = τ₁τ₂ ; (10)
B₁ = τ₁+τ₂ ; (11)
причем
T = Rw₅/R₅m; (12)
τ₁ = p₁q₁CR/m²; (13)
τ₂ = p₂q₂CR/m². (14)
По достижении для моста (чертеж) частотно-независимого равенства (1) при значениях l₃=0 и l₄=0 производят отсчет измеряемых параметров двухполюсника 2 по формулам
C_0x = (l₁C_N/l₂w₂)w_1,0; (15)




Как следует из выражений (1), (2), (4), в измерительном состоянии моста (чертеж) передаточная функция формирователя 5 равна

и, следовательно, пропорциональна отношению комплексной проводимости плеча измерения 2 к комплексной проводимости плеча сравнения 3.

Отношение указанных проводимостей

(где τ_1x = R_1xC_1x; τ_2x = R_2xC_2x) изменяется с частотой таким же образом, как и напряжение формирователя 5, описываемое формулой (5), поскольку оно может быть представлено как

где коэффициенты
a₀ = (C_0x + C_1x + C_2x)/C_N; (23)
a₁ = [C_0x(τ_1x+τ_2x)+C_1xτ_2x+C_2xτ_1x]/C_N; (24)
a₂ = (C_0x/C_N)τ_1xτ_2x; (25)
b₂ = τ_1xτ_2x ; (26)
b₁ = τ_1x+τ_2x , (27)
т.е. той же функцией, что и передаточная функция (6) формирователя 5.

Измерение по заявленному способу параметров двухполюсника 2 с помощью моста (чертеж) осуществляет в два этапа.

Первый этап измерительной процедуры осуществляют, как и по прототипу, при синфазном питании плеча измерения 2 и плеча сравнения 3. Для этого переключатель устанавливают в положение "П" и питают плечо сравнения 3 напряжением

снимаемым со вторичной обмотки w_П трансформатора 1, как и напряжение питания плеча измерения 2, подключенного ко вторичной обмотке w₂ трансформатора 1.

Регулировками чисел витков l₃, l₄ проводят уравновешивания моста (чертеж) на l частотах измерения. На каждой из заданных частот добиваются равновесия моста при возможно меньшем пороге чувствительности нуль-индикатора 22, то есть устанавливают частотно-зависимые равенства:

где токи плеча сравнения и измерения равны соответственно:


Токи в равенствах (29) определяются по формулам


Ток индикатора имеет место в равенствах (29) из-за влияния высших гармоник на показания нуль-индикатора 22.

По полученным отсчетам чисел витков l_3i, l_4i составляют систему из 2l уравнений на основе равенств
F_П(jω_i) = α_i+jω_iβ_i, (34)
где


и определяют коэффициенты перед степенями полиномов дробно-рациональной функции F(jω ).

В случае измерения параметров пятиэлементного двухполюсника (чертеж) указанная система имеет вид

где значения (см. (35), (36)) α₁, β₁, α₂, β₂, α₃, β₃ соответствуют частотам ω₁, ω₂, ω₃ и отсчетам l_3i, l_4i на этих частотах, а коэффициенты B₂, B₁, A₂, A₁, A₀ соответствуют выражению (6).

Решения системы (37) следующие:

По найденным коэффициентам В₂, B₁, A₁, A₂, A₀ далее вычисляют числа витков регулируемых основных плеч отношения моста (чертеж) по формулам:
w_1,0 = A₂/B₂; (43)
p_1,0 = (A₁ - A₀τ₁ - w_1,0τ₂)/T(τ₂ - τ₁); (44)
p_2,0 = [(A₀ - w_1,0)/T]-p_1,0; (45)
q_1,0 = τ₁m²/CRp_2,0; (46)
q_2,0 = τ₂m²/CRp_2,0; (47)
где

τ₂ = B₁ - τ₁; (49)
T = w₅R/R₅m. (50)
Вычисленные в конце первого этапа числа витков регулируемых основных плеч отношения соответствуют значениям параметров измеряемого двухполюсника недостаточно точно, поскольку найдены они на основе равенств м.д.с. (29), содержащих в правой части ток индикаторной обмотки
Для обеспечения высокой точности измерения по заявленному способу, как и по прототипу, проводят второй этап измерения.

Второй этап протекает следующим образом. Переключатель 11 моста (чертеж) переводят в положение "В" и устанавливают найденные в конце первого этапа числа витков регулируемых обмоток формирователя 5. Тем самым формируют напряжение

подводимое к плечу сравнения 3 с помещенной в него постоянной мерой емкости C_N (см. чертеж), изменяющееся в функции частоты в первом приближении так же, как частное от деления комплексной проводимости плеча измерения на комплексную проводимость плеча сравнения, то есть как Y_x = (jω)/jωC_N, в отличие от прототипа, по которому и на втором этапе напряжения питания плеч сравнения и измерения синфазны друг другу при одном и том же отношении их модулей на всех частотах измерения.

Затем регулировками дополнительных плеч отношения l₃ = var, l₄ = var на частотах ω_i уравновешивают мост, получая равенства м.д.с. компаратора 4

По получении l равенств (52) проводят уточнение передаточной функции формирователя 5 путем решения системы из 2l уравнений на основе равенств
F_y(jω_i) = α_iy+jω_iβ_iy, (53)
в которых в случае моста (чертеж)


где F_п(jω) - передаточная функция формирователя 5, найденная на первом этапе.

Уточнение передаточной функции достигается за счет того, что равенства (52) в отличие от равенств (29), полученных на первом этапе, не содержат м. д.с. индикаторной обмотки, поскольку уже при первом проведении второго этапа м.д.с. обмотки l₁, равная

изменяется в первом приближении так же, как м.д.с. обмотки l₂, равная

и благодаря применению избирательного амплитудного нуль-индикатора 22 на каждой из l частот измерения регулировками l₃ = var, l₄ = var мост (чертеж) уравновешивается полностью. Вследствие этого система из 2l уравнений для определения передаточной функции F_y(jω) формирователя 5 является существенно более точной, чем на первом этапе.

В случае моста (чертеж) для измерения параметров пятиэлементного двухполюсника 2, решая систему (37), находят уточненные коэффициенты В₂, В₁, A₁, A₂, A₀. По ним находят уточненные числа витков w_1,0; p_1,0; q_1,0; p_2,0; q_2,0. Устанавливают эти числа витков и тем самым задают уточненную передаточную функцию F_y(jω), а вместе с ней формируют уточненное напряжение формирователя 5 в соответствии с выражением

Установив уточненное напряжение формирователя 5, проводят проверку состояния равновесия моста (чертеж) на заданных частотах ω_i при нулевых значениях чисел витков дополнительных регулируемых плеч отношения l₃ = 0 и l₄ = 0.

Если при проверке при максимальной чувствительности амплитудного нуль-индикатора 22 на всех частотах мост (чертеж) уравновешен, то производят отсчет измеряемых параметров по формулам (15) - (19), то есть в отличие от прототипа, по числам витков.

Если при проверке хотя бы на одной из частот амплитудный нуль-индикатор 22 покажет наличие м. д. с. индикаторной обмотки, то второй этап повторяют.

Второй этап завершают при достижении частотно-независимого состояния равновесия моста (чертеж) при нулевых числах витков дополнительных плеч отношения l₃, l₄ раздельным отсчетом измеряемых параметров по формулам (15)-(19).

Таким образом, в мосте (чертеж) путем формирования напряжения питания плеча сравнения 3, изменяющегося с частотой подобно частному от деления комплексной проводимости плеча измерения 2 на комплексную проводимость плеча сравнения 3, достигается сущность заявленного способа измерения, заключающаяся в повышении точности посредством, в отличие от прототипа, раздельного отсчета измеряемых параметров по числам витков регулируемых обмоток многоплечего трансформаторного моста в частотно-независимом состоянии его равновесия.

Более высокая точность измерения по сравнению с прототипом достигается также за счет использования "чистой" меры емкости, включенной в одноэлементное плечо сравнения, то есть постоянной меры емкости, остаточные параметры которой на заданных частотах измерения в многоплечем трансформаторном мосте легко компенсируются.

Число серий повторных уравновешиваний моста (чертеж) невелико, т.к. уже первая из них проводится в состоянии моста, близком к частотно-независимому, и завершается получением точных равенств м.д.с. компаратора токов (см.(52)), находимые на основе которых значения измеряемых параметров быстро приближаются к истинным значениям по мере повторения таких серий.

Каждое из уравновешиваний по двум параметрам на частотах измерения в этих сериях проводится при оптимальных условиях сходимости (линии уравновешивания при l₃ = var, l₄ = var являются ортогональными прямыми) и при малых диапазонах изменения чисел витков дополнительных плеч отношения l₃, l₄ относительно их нулевых значений, т.е. проводится за несколько тактов уравновешивания и легко может быть автоматизировано.

Следовательно, заявленный способ, как и прототип, характеризуется небольшой продолжительностью измерения, а также простотой автоматизации процесса уравновешивания по n параметрам.

Заявленный способ легко реализуется, т.к. трансформаторы напряжения, компаратор токов, избирательный нуль-индикатор, мера емкости, используемые при измерении по нему параметров n-элементных двухполюсников являются типовыми элементами и узлами известных (см. книгу Новика А.И. Системы автоматического уравновешивания цифровых экстремальных мостов переменного тока. - Киев: Наукова думка, 1983) многоплечих трансформаторных мостов для автоматического измерения параметров двухполюсников по двухэлементной схеме, а выполнение с помощью ЭВМ необходимых вычислительных операций в описанной процедуре измерения не представляет затруднений.

Заявленный способ может быть положен в основу измерения параметров n-элементных двухполюсников, являющихся точными схемами замещения многих важных объектов в различных областях науки и народного хозяйства, и позволит строить высокоточные цифровые мосты с новыми функциональными возможностями, существенно расширяющими круг решаемых задач исследования и контроля на переменном токе.

Использование: в электроизмерительной технике. Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров при раздельном отсчете по числам витков в частотно-независимом состоянии равновесия многоплечего трансформаторного моста. Согласно изобретению напряжение питания плеча сравнения изменяют с частотой, подобно частному от деления комплексной проводимости плеча измерения на комплексную проводимость плеча сравнения. Для этого числа витков регулируемых основных плеч отношения вычисляют по отсчетам чисел витков двух регулируемых дополнительных плеч отношения. Проводят серии повторных уравновешиваний моста на заданных частотах измерения, а также по активной и реактивной его составляющим относительно напряжения питания плеча измерения при предыдущей серии повторных уравновешиваний. Раздельный отсчет измеряемых параметров осуществляют по числам витков регулируемых основных плеч отношения. 1 ил.

Способ раздельного измерения параметров n-элементных двухполюсников многоплечим трансформаторным мостом, содержащий операции уравновешивания при синфазном питании плеч сравнения и измерения регулировками чисел витков двух дополнительных плеч отношения этого моста с углом сходимости по ним, равным 90°, на n/2, если число n измеряемых параметров четное, и на (n+1)/2 частотах, если n - нечетное, с последующим проведением серий повторных уравновешиваний регулировками чисел витков отмеченных двух дополнительных плеч отношения до получения их нулевых значений, отличающийся тем, что перед проведением каждой серии повторных уравновешиваний формируют напряжение питания плеча сравнения, изменяющееся с частотой подобно частному от деления комплексной проводимости плеча измерения на комплексную проводимость плеча сравнения, путем установки чисел витков n регулируемых основных плеч отношения, которые вычисляют по активной и реактивной его составляющим относительно напряжения питания плеча измерения и по отсчетам чисел витков упомянутых двух регулируемых дополнительных плеч отношения при предыдущей серии повторных уравновешиваний, а раздельный отсчет измеряемых параметров осуществляют по числам витков указанных n регулируемых основных плеч отношения моста.