Способ измерения электрофизических параметров четырехполюсника и устройство для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК G01R27/16 G01R27/26 H03K3/282 

Способ измерения электрофизических параметров четырехполюсника в частоту автоколебаний мультивибратора относится к измерительной технике и может использоваться в системах передачи информации от объектов, описываемых распределенной RС-структурой.

Известны способы измерения электрофизических параметров четырехполюсников (см., например, патент РФ №2316113 по классу Н04В 3/46 «Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления», патент Японии JP №4376071 В2 по классу Н04В 3/46 «Способ измерения излучаемых радиоволн»).

Распределенную RС-структуру (линию) часто моделируют четырехполюсником, содержащим активное сопротивление R и электрическую емкость С. «Практически часто возникает задача построения четырехполюсных схем, составленных из элементов с сосредоточенными параметрами, условия передачи энергии через которые воспроизводили условия передачи по некоторой линии» - написано в книге Каллер М.Я. Теория электрических цепей. М.: Всесоюзное издательско-полиграфическое объединение министерства путей сообщения, 1962, с. 187. Поэтому в определенной степени при изложении материала понятие «распределенная RС-структура» будет означать ее модель в виде четырехполюсника.

Известны способы измерения электрофизических параметров четырехполюсника, основаны на использовании распределенной RС-структуры в качестве модели для определения электрофизических параметров среды, содержащие измерительный преобразователь параметров среды, преобразователя аналогового сигнала в цифровую форму, цифрового вычислительного устройства и устройства хранения и индикации.

Известные способы основаны на определении электрофизических параметров распределенной RС-структуры путем измерения потерь электромагнитной энергии в подстилающей среде. Потери определяются как интеграл от произведения поверхностного импеданса подстилающей среды на квадрат плотности тока. Этот метод дает достаточно точные результаты, когда напряженность поля подстилающей среды слабо изменяется вдоль этой поверхности на расстоянии порядка глубины скин-эффекта.

Недостатком известных способов является низкая точность измерения, связанная с плохой воспроизводимости четырехполюсной модели, принятой для расчетов по результатам измерений.

Если это условие не выполнено, то напряженность поля в подстилающей среде нельзя адекватно определить через нормальную составляющую электромагнитной волны, распространяющуюся вдоль поверхности земли. При этом меняется излучающая способность антенны, находящейся вблизи подстилающей среды.

Известны устройства, используемые для оценки электрофизических параметров подстилающей среды, содержащие генератор периодического сигнала, зонды, обеспечивающие контактирование с измеряемым объектом, измеритель входного импеданса, аналого-цифровой преобразователь, устройство математической обработки полученных данных и отображения результатов измерения.

Работа устройств сводится к следующему. После включения напряжения питания сначала производится измерение действительной составляющей поверхностного импеданса среды. Далее производится измерение параметров среды, модель которой представляется через импеданс, выраженного в виде суммы действительной и мнимой составляющих полного импеданса. Для оценки мнимой составляющей производят дополнительные измерения. Причем для этих целей используют дополнительное оборудование, что удорожает процесс измерения и снижает его точность и объективность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ, описанный в патенте РФ №2316113 по классу Н04В 3/46 «Способ измерения параметров подстилающей среды и устройство для его осуществления».

Способ-прототип производит определение параметров четырехполюсника, являющегося моделью распределенной RС-структуры, через определение электропроводности физической среды на основании измерения фазового сдвига гармонического сигнала, возникающего при контакте зондов с распределенной RC -структурой, и последующих расчетов параметров четырехполюсника.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные генератор и операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен со средней точкой резистора обратной связи, а выход операционного усилителя подключен к первому токовому выводу датчика Холла, первый и второй выводы напряжения которого соединены с третьим и четвертым входами фазочувствительного моста соответственно, первый вход которого подключен к выходу генератора, а второй вход - к точке соединения первого вывода резистора обратной связи и общей шины. Второй вывод резистора обратной связи соединен со вторым токовым выводом датчика Холла. Выход фазочувствительного моста подключен к выходу вычислительного устройства, выход которого соединен с устройством индикации и запоминания.

Работа устройства-прототипа сводится к следующему. При включении генератора его выходной сигнал подается на первый вход фазочувствительного моста и на инвертирующий вход операционного усилителя, охваченного обратной связью по току, выходной сигнал которого подается на рамочную антенну и на первый вывод датчика Холла. Ток, протекающий через рамочную антенну, вызывает появление переменного магнитного поля, датчик Холла, воспринимающий это поле, формирует переменное холловское напряжение, которое подается на входы фазочувствительного моста. На выходе фазочувствительного моста формируется напряжение, пропорциональное разности фаз между входным током датчика Холла и напряженностью магнитного поля. Сигнал с выхода фазочувствительного моста подается на вход вычислительного устройства, с выхода которого снимается результат, фиксируемый в устройстве индикации и запоминания.

Частоту генератора изменяют в некотором диапазоне, начиная с известного начального значения до тех пор, пока фазовый сдвиг, измеряемый фазо-чувствительным мостом, не будет находиться в диапазоне 22°…111°. Электропроводность среды вычисляется в вычислительном устройстве 6 по формуле где ƒ - частота генератора 1, Гц; Ф - фазовый сдвиг, рад; S - площадь рамочной антенны, м².

Точность измерения параметров подстилающей среды зависит от точности изготовления и установки рамочной антенны (зондирующего элемента), что трудно обеспечить для естественных сред, особенно при перемещении измерительного устройства.

Для устранения описанного недостатка предлагается способ измерения параметров четырехполюсника, основанный на измерении частоты автоколебаний мультивибратора, используемого в качестве управляемого первичного датчика, с последующей математической обработкой результатов измерения, позволяющий нахождение действительных параметров четырехполюсника, отличающийся тем, что управляемый мультивибратор, подключаемый зондами к выводам четырехполюсника, параметры сигнала которого используются для вычисления активных сопротивлений и емкости модели четырехполюсника.

Устройство измерения параметров четырехполюсника (фиг. 1) содержит мультивибратор с зондами для подключения у четырехполюснику, блок управления, вычислительный блок, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и индикации, в котором блок управления связан с мультивибратором, осуществляя изменение параметров его резисторов, выход мультивибратора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с вычислительным блоком, а выход вычислительного блока связан с блоком управления и блоком памяти и индикации

Устройство измерения электрофизических параметров четырехполюсника работает следующим образом. Основным элементом устройство измерения электрофизических параметров четырехполюсника является мультивибратор (фиг. 2), работа которого определяет функционирование всего устройства.

При подаче напряжения питания Е_п на схему (фиг. 2) напряжение U_зи транзистора Т₁ близко к нулю, что значительно ниже напряжения отсечки U_ОТС. Поэтому полевой транзистор Т₁ с индуцированным каналом n-типа будет в закрытом состоянии. Полевой транзистор Т₂ будет в открытом состоянии, так как его напряжение U_зи будет значительно больше напряжения отсечки U_ОТС. Через канал транзистора Т₂ будет протекать ток, ограниченный наличием резисторов R₂, R₃ и R₄. При этом происходит заряд конденсатора С, приводящий к снижению напряжения U_зи транзистора Т₂. Когда напряжение U_зи станет меньше напряжения отсечки U_ОТС, транзистор Т₂ закроется. При этом на конденсаторе С будет значительное напряжение, обусловленное его зарядом. После закрытия транзистора Т₂ это напряжение будет приложено к затвору транзистора Т₁, вызывая его открытие (напряжение U_зи будет значительно больше напряжения отсечки U_ОТС). В результате открытия транзистора Т₁ начнется заряд конденсатора С, но в обратном направлении по сравнению с предыдущим процессом, т.е. будет происходить разряд конденсатора С. Далее напряжение U_зи достигнет напряжения отсечки U_ОТС, и транзистор Т₁ закроется, а транзистор Т₂ откроется. Далее происходит поочередная смена состояний первого Т₁ и второго Т₂ полевых транзисторов. В результате напряжение на резисторе R₄ будет периодически изменяться во времени, т.е. генерироваться периодический сигнал, частота и амплитуда которого определяется параметрами схемы (фиг. 2).

Для описания способа измерения электрофизических параметров четырехполюсника примем следующую схему расчета на основе преобразования Лапласа.

Пусть Е_П - это напряжение питания схемы, ток через конденсатор С обозначим как i_С(p), ток через резистор R₂ будет i(p), а номиналы резисторов R₁, R₃ и R₄ и конденсатора С определяются в ходе расчетов.

Условия работы мультивибратора (фиг. 2) требуют последовательной смены открытого и закрытого состояний транзисторов Т₁ и Т₂.

Для состояния, когда открыт транзистор Т₂, используя преобразование Лапласа, получим систему уравнений

Решение этой системы уравнений в области изображений выглядит следующим образом:

Переходя к временной области, получим следующую систему уравнений:

Для выключения транзистора Т₂ необходимо обеспечить, чтобы U_ЗИ=i(t)R₂ ≤ U_ОТС. Напряжение U_ЗИ транзистора Т₂ тогда будет

В момент t₁, когда закрывается транзистор Т₂, выполняется условие U_ЗИ=U_ОТС

Отсюда, если U_ОТС≈0,5 Е_П, то

Производя аналогичные операции, найдем время закрытого состояния транзистора Т₂

Суммируя выражения последние выражения, найдем период колебаний Т=t₁+t₂:

Чтобы получить положительное действительное значение периода колебаний Т, необходимо выполнить в последней формуле два условия: R₄/(R₂-R₄)>1 и R₂-R₄>0. В результате получается двойное неравенство: R₂/2<R₄<R₂. Аналогичное условие должно быть выполнено для следующего неравенства: R₁/2<R₃<R₁. Из этих условий выбирается номиналы резисторов R₃ и R₄.

Частота генерируемого сигнала определяется как ƒ=1/T=(t₁+t₂)^-1. Следовательно, для получения мультивибратора с заданной частотой сигнала ƒ, когда определены значения резисторов R₁…R₄, необходимо использовать конденсатор С номинала, удовлетворяющего выражению:

где частота/измеряется в герцах, резисторы R_i (i=1,…,4) измеряются в омах, а емкость конденсатора С измеряется в фарадах.

На фиг. 3 показана зависимость частоты сигнала ƒ от изменения номинала резистора R₃, когда номиналы резисторов R₁, R₂ и R₄ будут 4 кОм, 4 кОм и 2,5 кОм, а номинал конденсатора С будет 10 нФ.

Приведенная кривая показывает, что с увеличением номинала резистора (и конденсатора) частота сигнала ƒ уменьшается с 28,6 кГц до нуля. При этом существует практически линейный участок изменения номинала резистора R₃ от 2,5 до 3,5 кГц. Вне интервала значений R₃ [2…4 кГц] на выходе мультивибратора отсутствуют колебания и, следовательно, отсутствует возможность по генерируемой частоте ƒ определить электрофизические параметры распределенной RС-структуры.

Чтобы изменить интервала значений R₃, доступных измерению, необходимо изменить номиналы резисторов R₁ и R₂. Условия для их выбора указаны выше. Учитывая, что интервал допустимых значений R₃, доступных измерению, относительно мал, то по наличию автоколебаний на выходе преобразователя электрофизических параметров четырехполюсника можно судить о том, что интервал значений резистора R₁ выбран правильно и по кривой фиг. 3 можно определить значение сопротивления R₃. Аналогичным образом определяется интервал для значений резистора R₂ для определения номинала резистора R₄. Если значения сопротивлений R₃ и R₄ близки, то изменения сопротивлений R₁ и R₂ можно производить параллельно. Номинал конденсатора С можно определить, зная частоту сигнала преобразователя электрофизических параметров четырехполюсника, по следующей формуле:

где частота ƒ измеряется в герцах, резисторы R_i (i=1,…,4) измеряются в омах, а емкость конденсатора С измеряется в фарадах.

Реализовать указанный способ измерения параметров подстилающей среды можно с помощью устройства, приведенного на фиг. 1, где представлено: 1 - четырехполюсник, 2 - мультивибратор, 3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 4 - вычислительный блок, 5 - блок управления, 6 - блок памяти и индикации.

Четырехполюсник 1 зондами подключен к мультивибратору 2, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 3, выход которого подключен ко входу вычислительного блока 4, один выход которого соединен с блоком управления 5, выход которого подключен к резисторам мультивибратора 2, а второй выход соединен с блоком памяти и индикации 6.

Устройство измерения параметров подстилающей среды работает следующим образом. При включении мультивибратор 2, соединенный зондами с четырехполюсником 1, генерирует периодический сигнал, частота которого ƒ зависит от электрофизических параметров четырехполюсника. Наличие этого сигнала указывает на то, что номиналы резисторов мультивибратора 2 выбраны правильно, Отсутствие периодического сигнала указывает на то, что необходимо изменить номиналы резисторов мультивибратора. Изменение номиналов резисторов мультивибратора в этом случае осуществляется по командам блок управления 5. Процесс изменения номиналов резисторов мультивибратора 2 продолжается до тех пор, пока не появится на выходе мультивибратора 2 периодический сигнал. Этот сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя 3 преобразуется в позиционный код. Позиционный код поступает в вычислительный блок 4, где осуществляются математические и логические операции с кодом. После выполнения арифметических и логических операций в вычислительном блоке 4, выдается команда на выполнение операции блоку управления 5, а результат расчетов поступает в блок памяти и индикации 6, где осуществляется индикация и запоминание результатов расчетов в виде параметров четырехполюсника 1.

Мультивибратор 2 реализован по схеме (фиг. 2), приведенной в авторском свидетельстве СССР №1429297 по классу Н03К 3/282, авторами которого являются А.М. Бритиков и А.С. Щеголеватых. Расчет элементов мультивибратора 2 приведен выше. Откуда следует, что выбор правильного диапазона измерения параметров элементов мультивибратора 2 осуществляется автоматически, а на основе правильного выбора определяются электрофизические параметры четырехполюсника 1.

Определение параметров резистора R₃ мультивибратора 2 осуществляется через снятие зависимости частоты автоколебаний мультивибратор 2 от значения сопротивления резистора R₃ (фиг. 3). Определение значения сопротивления резистора R₄ осуществляется аналогично. Емкость конденсатора С определяется на основе установления значений сопротивлений резисторов R₃ и R₄ и частоты автоколебаний ƒ мультивибратора 2. Формула расчета емкости конденсатора С мультивибратора 2 приведена выше.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах передачи информации от объектов, описываемых распределенной RС-структурой. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений электрофизических параметров четырехполюсника. При осуществлении способа измерения параметров четырехполюсника дополнительно параметры периодического сигнала управляемого мультивибратора используются для вычисления активных сопротивлений и емкости четырехполюсника, при отсутствии периодического сигнала осуществляется изменение номиналов резисторов мультивибратора по командам блока управления до тех пор, пока не появится на выходе мультивибратора периодический сигнал. Мультивибратор подключается зондами к выводам четырехполюсника. В устройстве измерения параметров четырехполюсника дополнительно блок управления связан с мультивибратором, выход мультивибратора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с вычислительным блоком, а выход вычислительного блока связан с блоком управления и блоком памяти и индикации. Блок управления осуществляет изменение параметров резисторов мультивибратора. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения параметров четырехполюсника, основанный на измерении частоты автоколебаний мультивибратора, используемого в качестве управляемого первичного датчика, с последующей математической обработкой результатов измерения, обеспечивающей нахождение действительных параметров четырехполюсника, отличающийся тем, что параметры периодического сигнала управляемого мультивибратора, подключаемого зондами к выводам четырехполюсника, используются для вычисления активных сопротивлений и емкости четырехполюсника, при отсутствии периодического сигнала осуществляется изменение номиналов резисторов мультивибратора по командам блока управления до тех пор, пока не появится на выходе мультивибратора периодический сигнал.

2. Устройство измерения параметров четырехполюсника, содержащее мультивибратор с зондами для подключения у четырехполюснику, блок управления, вычислительный блок, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и индикации, отличающееся тем, что блок управления связан с мультивибратором, осуществляя изменение параметров его резисторов, выход мультивибратора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с вычислительным блоком, а выход вычислительного блока связан с блоком управления и блоком памяти и индикации.

3. Устройство измерения параметров четырехполюсника по п. 2, отличающееся тем, что мультивибратор построен на двух полевых транзисторах с изолированным затвором, истоки которых связаны конденсатором, а два резистора мультивибратора изменяют свои активные сопротивления по командам блока управления.