Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры Российский патент 2019 года по МПК G01R25/02 

Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур.

Известные способы измерения фазовых сдвигов распределённых RC-структур основаны на выделении отдельных гармонических сигналов одинаковой частоты и измерении временного промежутка между точками с одинаковой фазой с последующим делением на период гармонического сигнала (например, статья Siblini A., Souquet S., Mesnard G. Automatic measurement of the phase difference between two VLF sinusoidal signals./ Electronique Techn. And Industry, 1984, №11, pp. 62-66; книги 1) Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. - М.: Энергия, 1972, 2) Измерения в промышленности. Справочник. Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359; патент РФ №2244937, G01R 25/02 «Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце»).

Для осуществления измерения фазовых сдвигов используют генератор синусоидального сигнала, управляемый в соответствии с программой нахождения искомого результата. Программа включает как различные подключения объекта измерения, так и обработку полученных результатов. Это удлиняет процесс измерения, является источником погрешностей, что в результате удорожает процесс и снижает точность измерения фазовых сдвигов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в патенте РФ №2244937, G01R 25/02 «Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов в балансном кольце», принятый за прототип.

Способ-прототип основан на разделении непрерывного сигнала генератора синусоиды на два плеча, в одно из которых установлен двухзондовый фазочувствительный элемент и измеряемое устройство, а в другое плечо – фазовый модулятор, имеющий два состояния 0 или 180 градусов. При проведении измерения на каждом из двух зондов производится суммирование двух сигналов, один из которых несёт информацию о сдвиге фазы сигнала, а другой является опорным. Определение фазового сдвига, вносимого измеряемым устройством, проводится расчётным путём с использованием найденных в двух такта амплитуд сигналов на двух неподвижных зондах. Для первого такта при начальном фазовом состоянии сигнала и для второго такта при изменённом фазовом состоянии сигнала на 180 градусов в одном из плеч балансного кольца.

Из изложенного следует, что процесс измерения фазовых сдвигов достаточно сложен, длителен, а результат измерения имеет недостаточную точность.

Задача – повышение точности измерения при упрощении процесса измерения фазовых сдвигов распределенной RC-структуры для различных частот гармонического сигнала.

Для решения поставленной задачи в способе измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, основанном на получении непрерывного гармонического сигнала, измерении фазового сдвига с помощью двух зондов и вычислении фазовых сдвигов, согласно изобретению, получение непрерывного гармонического сигнала осуществляют подключением распределённой RC-структуры через два зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, на выходе которого формируется гармонический сигнал частотой $$f_0$$, по которому рассчитывают фазовый сдвиг $$\delta$$ распределенной RC-структуры по формуле $$\delta =arctg[f_0/(2{\pi }^{2}f)],$$ где $$f_0$$ - частота генератора в момент измерения, Гц; $$f$$ - частота, для которой определяется фазовый сдвиг δ распределённой RC-структуры, Гц.

Предлагаемый способ заключается в подключении распределенной RC-структуры через два разнесенных зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, обеспечивающего получение гармонического сигнала определенной частоты, измерением этой частоты с последующим пересчетом на частоту сигнала, на основе которых определяются фазовые сдвиги распределенной RC-структуры на различных частотах.

Источником измеряемого сигнала является генератор, построенный на операционном усилителе, в отрицательную обратную связь которого через два зонда подключается распределенная RC-структура.

Матрица генератора представима произведением трёх матриц следующего вида:

$$\Vert \begin{array}{cc}{a}_{11}& a_{12}\\ a_{21}& a_{22}\end{array}\Vert =\Vert \begin{array}{cc}1& 0\\ 1/R& 1\end{array}\Vert \Vert \begin{array}{cc}ch\gamma l& Z_{1}sh\gamma l\\ Z_1^{-1}sh\gamma l& ch\gamma l\end{array}\Vert \Vert \begin{array}{cc}1& 0\\ G& 1\end{array}\Vert$$, (1)

где $$a_{ij}$$ – элементы волновой матрицы генератора; $$G$$ - выходная проводимость генератораи ; $$Z_1$$ – волновое сопротивление распределённой RC-структуры; $$\gamma l=\sqrt{j\omega RC}$$ – коэффициент распространения ($$j=\sqrt{-1}$$,$$\omega =2\pi f$$ – круговая частота, $$R$$ и $$C$$ – эквивалентные сопротивление и емкость распределённой RC-структуры.

Решая матричное уравнение (1) и, учитывая, что элемент а₂₂=1, а коэффициент распространения представим как $$\gamma l=\alpha +j\alpha =\sqrt{\omega RC/2}+j\sqrt{\omega RC/2}$$, получим в результате выражения для действительной и мнимой частей следующего вида:

$$Z_1{(R)}^{-1}sh\alpha \cos \alpha +ch\alpha \cos \alpha =1$$ , (2,а)

$$Z_1{(R)}^{-1}ch\alpha \sin \alpha +sh\alpha \sin \alpha =0$$. (2,б)

Границу устойчивости автоколебаний определяет параметр $$\beta =Z_1{(R)}^{-1}$$. Для обеспечения устойчивости автоколебаний необходимо, чтобы выполнялся баланс фаз и баланс амплитуд. Этому условию отвечает $$\alpha =\pi$$ и $$\beta <-1$$.

Для расчетов примем $$\alpha =\pi$$, $$\beta =-2$$. Тогда частота автоколебаний$$f=\omega /2\pi$$ будет определяться как

$$f_0=\pi /RC$$, (3)

где $$f_0$$ - частота генератора в момент измерения, Гц.

Отсюда получим

$$RC=\pi /f_0$$. (4)

Фазовый сдвиг δ находят следующим образом. Тангенс угла сдвига вектора тока относительно вектора напряжения $$tg\delta$$ определяют по формуле, приведённой в книге «Измерения в промышленности. Справочник.Книга 1/ Под. Ред. П.Профоса», С. 359

$$tg\delta ={(\omega RC)}^{-1}$$ (5)

Подставляя в это выражение формулу (4), получим

$$tg\delta ={(\omega RC)}^{-1}={(2\pi f\cdot RC)}^{-1}=f_0/(2{\pi }^{2}f),$$ (6)

где f – заданная частота гармонического сигнала, Гц.

Отсюда фазовый сдвиг δ находят по формуле

$$\delta =arctg[f_0/(2{\pi }^{2}f)],$$ (7)

Частота генератора $$f_0$$ соответствует частоте автоколебаний генератора, при которой тангенс угла диэлектрических потерь $$tg{\delta }_0$$ =$$2{\pi }^2$$.

При этом δ = 2,9 градуса.

Следует отметить, что предлагаемый способ может быть использован для определения других характеристик распределённой RC-структуры. По формуле (6) можно определять тангенс угла диэлектрических потерь и другие электрофизические параметры распределённой RC-структуры.

Заявляемый способ может быть реализован устройством, схема которого представлена на фиг. 1, где обозначено:

1 – генератор;

2 – распределенная RC-структура;

3, 4 – первый и второй зонды;

5 – операционный усилитель;

6 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

7 – согласующее устройство;

8 – персональная ЭВМ (ПЭВМ).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор 1, состоящий из операционного усилителя 5, в отрицательную обратную цепь которого через два зонда 3 и 4 подключена распределенная RC-структура 2. При этом выход операционного усилителя 5, являющийся выходом генератора 1, соединен с входом АЦП 6, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом согласующего устройства 7, выход которого двунаправленной шиной соединен с входом ПЭВМ 8.

Устройство работает следующим образом.

Распределённая RC-структура 2 через зонды 3 и 4 подключена в отрицательную обратную цепь операционного усилителя 5, что обеспечивает появление гармонического сигнала на его выходе. Гармонический сигнал представляет собой унитарный код, соответствующий частоте $$f_0$$ согласно формуле $$f_0=\pi /RC$$. В АЦП 6 этот код преобразуется в позиционный код. (Вариант такого АЦП 6 может быть осуществлен, например, по а.с. СССР №706845, G06F 7/02). Сигнал с выхода АЦП 6 через согласующее устройство 7 поступает в ПЭВМ 8, где производится вычисление фазового сдвига по формуле $$\delta =arctg[f_0/(2{\pi }^{2}f)],$$ с последующей регистрацией результата измерения.

Технический результат – повышение точности измерения при упрощении процесса измерения фазовых сдвигов распределенной RC-структуры для различных частот гармонического сигнала

Это достигается за счет проведения измерений в один этап, результат измерения получается автоматически в виде частоты генерируемого сигнала с последующим пересчетом на ПЭВМ на искомые частоты фазовых сдвигов.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для оценки электрофизических характеристик сред, описываемых моделью распределённых RC-структур. Заявлен двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, в котором получение непрерывного гармонического сигнала осуществляется подключением распределённой RC-структуры через два зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, на выходе которого формируется гармонический сигнал частотой $$f_0$$, по которому рассчитывается фазовый сдвиг $$\delta$$ распределенной RC-структуры по формуле $$\delta =arctg[f_0/(2{\pi }^{2}f)],$$ где $$f_0$$ - частота генератора в момент измерения, Гц; $$f$$ - частота, для которой определяется фазовый сдвиг δ распределённой RC-структуры, Гц. Технический результат – повышение точности измерения электрофизических параметров распределённой RC-структуры, упрощение и ускорение процесса измерения. 1 ил.

Двухзондовый способ измерения фазовых сдвигов распределённой RC-структуры, основанный на получении непрерывного гармонического сигнала, измерении фазового сдвига с помощью двух зондов и вычислении фазовых сдвигов, отличающийся тем, что получение непрерывного гармонического сигнала осуществляют подключением распределённой RC-структуры через два зонда в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя, на выходе которого формируется гармонический сигнал частотой $$f_0$$, по которому рассчитывают фазовый сдвиг δ распределенной RC-структуры по формуле:

$$\delta =arctg[f_0/(2{\pi }^{2}f)],$$

где $$f_0$$ - частота генератора в момент измерения, Гц; $$f$$ - частота, для которой определяется фазовый сдвиг δ распределённой RC-структуры, Гц.