Автоматическое устройство для измерения емкости и тангенса угла потерь Советский патент 1984 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испол зовано в автоматике для контроля свойств веществ по емкости и тангенсу угла потерь. Известно устройство для автоматического измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов, содержащее генератор питания (источник испытательного напряжения), включенный в диагональ мостовой схемы, в одной из ветвей которой включен объект измерения, в другой эталонный конденсатор, параллельно мостовой схеме включена цепь формирования опорных напряжений (блок индикации), усилитель разбаланса, выход которого соединен с сигнальны ми входами квадратурных детекторов опорный вход первого квадратурного детектора соединен с выходом цепи формирования опорных напряжений и с входом фазовращателя, выход которого соединен с опорным входом второго квадратурного детектора, каждый из выходов первого и второго квадратурных детекторов соединен со ответственно с первым и вторым вход ми блока управления. Устройство позволяет осуществить одновременно уравновешивание моста и получить результаты измерения емкости и тангенса угла потерь в цифровой форме fij . Недостатком устройства является низкое быстродействие, обусловленно необходимостью уравновешивания мостовой схемы за несколько циклов вследствие гальванической связи меж ду элементами моста. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является автоматическое устройство для измерения емкости и коэффициента потерь конденсаторов, содержащее клеммы для подключения объекта измерения, выход которого соединен через после довательно соединенные эталонный ко денсатор и первый преобразователь ток - напряжение с опорным входом первого фазочувствительного выпрямителя, входом фазовращателя и первым входом первого блока умножения, а через последовательно соединенные объект измерения и второй преобразователь ток - напряжение первым входом блока вычитания, второй вход которого соединен с выходо первого преобразов.ателя ток - напряжение, с первым входом блока вычитания, второй вход которого сое динен с выходом первого преобразова теля ток - напряжение, выход блока вычитания соединен с первым входом блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом первого фазочувствительного выпрямителя и с управляющим входом второго фазочувствительного выпрямителя, опорный вход которого соединен с выходом фазовращателя и с первым входом второго блока умножения,выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с BTopbfivi входом блока сравнения, выход.первого фазочувствительного выпрямителя соединен с вторым вхо|дом первого блока умножения, с первым входом блока индикации и с первым входом арифметического блока, выход которого соединен с вторым входом блока индикации, выход второго фазочувствительного выпрямителя соединен с вторым входом второго блока умножения и с вторым входом арифметического блока, а также содержит блок управления 2 . Недостатком известного устройства является низкое быстродействие обусловленное длительным временем двойного преобразования напряжения вследствие того, что компенсацию необходимо проводить на переменном токе, а измерение - на постоянном Кроме того, для получения истинного значения тангенса угла потерь после окончания режима компенсации необходима дополнительная арифметическая операция, осуществляемая в арифметическом блоке, что также снижает быстродействие устройства. Цель изобретения - повышение быстродействия. Цель достигается тем, что в автоматическое устройство для измерения ёмкости и тангенса угла потерь, содержащее последовательно соединенные источник испытательного напряжения, клеммы для подключения объекта измерения и первый преобразователь ток - напряжение, последовательно соединенные эталонный конденсатор, второй преобразователь ток - напряжение и первый фазовращатель, причем свободный выводконденсатора соединен с выходом источника испытательного напряжения, сумматор, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, блок индикации и блок управления, введены второй фазовращатель, два преобразователя код - напряжение и два счетчика импульсов, причем опорный вход первого преобразователя код напряжеЛ1е соединен с выходом первого фазовращателя, управляющий вход с йыходом первого счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с первым выходом блока сравнения, выход первого преобразователя код напряжение соединен с опорным входом второго преобразователя код напряжение и с входом второго фазо- гвращателя, выход которого соединен

с первым входом сумматора, второй рход которого соединен с выходом второго преобразователя код - напря- жение, второй вход блока сравнения соединен с выходом первого преобразователя ток - напряжение, третий вход - с выходом второго фазовращателя, четвертый вход - с выходом первого фазовращателя, второй выход блока сравнения соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, выход которого соединен с управляющим входом второго преобразователя код напряжение, выходы счетчиков импульсов соединены соответственно с входами блока индикации, выход блока управления соединен с входами установки нуля счетчиков импульсов и с входом установки исходного состояния блока сравнения.

Время измерения параметров объек та измерения в известном устройстве состоит из времени преобразования в блоке компенсации, времени дополнительных преобразований в счетно-решающем блоке и времени анаЛого-цифровых преобразований в блоке индикации.- Введение в предлагаемое устройство для двух преобразователей код - напряжение двух счетчиков импульсов и второго фазовращателя позволяет осуществить одновременно преобразования в блоке компенсации и формирование цифрового кода результата измерений. Последовательное включение преобразователей код - напряжение исключает необходимость дополнительных преобразований в счетно - решанхцем блоке.

Использование предлагаемого технического решения в системах автоматики для контроля свойств веществ повышает быстродействие автоматического устройства для измерения емкости и тангенса угла потерь в 1,6-2 раза в зависимости от точности измерения.

На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного устройства; на фиг. 2 - блок-схема блока сравнения; на фиг. 3 - временные диаграммы работы блока сравнения при измерении емкости: а - последовательность импульсов на выходе компаратора 30; б - последовательность импульсов на выходе компаратора 36; в - сигнал на выходе формирователя 35 импульсов г - сигнал д - сигнал на выходе R5 -триггера 32; е - последовательность импульсов на счетном входе первого счетчика 14 импульсов; ж - сигнал на выходе Логической схемы И 31 .

На фиг. 4 представлены временные диаграммы работы блока сравнения при измерении тангенса угла потерь:

а - последовательность импульсов ha выходе компаратора 30; б - последовательность импульсов на выходе компаратора 37; в - сигнал на выходе формирователя 38 импульсов; г - сиг5 нал на выходе формирователя 42 импульсов; д - сигнал на выходе -триг гера 41; е - последовательность импульсов на счетном входе второго счетчика 16 .импульсов; ж - сигнал

0 на вькоде логической схемы И 39.Автоматическое устройство Для измерений емкости ri тангенса угла потерь (фиг, 1) содержит источник

5 1 испытательного напряжения, выход которого соединен через объект 2 измерения с входом первог.о преобразователя 3 ток - напряжение и через эталонный конденсатор 4 - с вхо- дом второго преобразователя 5 ток .напряжение. Выход первого преобразователя 3 ток - напряжение соединен ;С входом 6 компенсатора 7, выход второго преобразователя 5 ток - напряжение - с входом 8 компенсатора 7.

-Выход 9 компенсатора 7 соединен с первым входом .блока 10 индикации, выход 11 компенсатора 7 - с вторым входом блока 10 индикации.

Компенсатор 7 содержит первый фа0 зовращатель 12, вход которого является входом 8 компенсатора 7, выход фазовращателя 12 соединен с опорным входом первого преобразователя 13 код - напряжение, вьтолненного, на5 пример, в виде управляемой резистивной матрицы -2R, управляющий вход первого преобразователя 13 код напряжение соединен с выходом первого счетчика 14 импульсов, второй

0 преобразователь 15 код - напряжение, опорный вход которого соединен с выходом перйого преобразователя 13 код - напряжение, управляющий вход с выходом второго счетчика 16 им5 пульсов, второй фазовращатель 17, вход которого, соединен с выходом первого преобразователя 13 код - навпряжение, выход второго фазовращателя 17 соединен с первым входом

л сумматора 18, второй вход которого соединен с выходом второго преобразователя 15 код - напряжение. Выход первого преобразователя 3 ток - напряжение через вход 6 компенсатора 7 соединен с вторым входом 19 блока .

20 сравнения, выход сумматора 18

соединен с первым входом 21 блока 20 сравнения, выход второго фазовращателя 17 соединен с третьим входом 22 блока 20 сравнения. Выход

0 первого фазовращателя 12соединен с четвертым входом 23 блока 20 срав нения, первый выход 24 которого соединен со счетным входом первого счетчика 14 импульсов, выход которого

5 является выходом 9 компенсатора 7. Второй выход 25 блока 20 сравнения соединен со счетным входом второго счетчика 16 импульсов, выход которого является выходом 11 компенсатора 7. Выход блока 26 управления соединен с входом 27 установки исходного состояния блока 20 сравнения, с входом 28 установки нуля первого счетчика 14 импульсов и с входом 29 установки нуля второго .счетчика 16 импульсов, Блоп 20 сравнения (фиг. 2) содержит два канала. Первый канал содержит компаратор 30, первый и второй входы которого соединены соответственно с 15 входами 19 и 21 блока 20 сравнения, логический элемент И 31, первый вход которого соелинен с выходом компаратора 30, RS -триггер 32, R -вход которого соединен с выходом 20 логического элемента И 31, выход RS-триггера 32 соединен с вторым входом логического элемента и 33, первый вход которого соединен с выходом генератора 34 импульсов, а выход 25 логического элемента И 33 соединен с первым выходом 24 блока 20 сравнения, при этом второй вход логического элемента И 31 соединен с выходом формирователя 35 импульсов, вход OQ которого соединен с выходом компаратора 36, первый вход которого соединен с входом 22 блока 20 сравнения, а второй вход заземлен, Второй канал содержит компаратор 37, первый вход которого соединен с входом 23 блока 20 сравнения, второй вход заземлен, а выход соединен с входом формирователя 38 импульсов, выход которого соединен с вторым входом логического элемента и 39, пер- 40 вый вход которого соединен с выходом компаратора 30, а выход логиче.ского элемента И 39 соединен с вторым входом логического элемента ИЛИ 40, первый вход которого соеди- 45 нен с 5 -входом R5 -триггера. 32 и входом 27 установки исходного состояния блока 20 сравнения, а выход логического элемента ИЛИ 40 соедине с R -входом RS -триггера 41,5 -вход 50 которого соединен с выходом формирователя 42 импульсов, вход которого соединен с выходом RS -триггера 32, выход триггера 41 соединен с вторым входом логического элемента И 43, 55 первый вход которого соединен с выходом генератора 34 импульсов, а выход логического элемента И 43 соединен с выходом 25 блока 20 сравнения. Устройство (фиг. 1) работает 60 следующим образом. Синусоидальное напряжение с частотой, например, 50 Гц с выхода генератора 1 испытательного напряжения поступает на вход объекта 65 2 са па пр щи та пер пря пре ку рав где обр пор где зов нос рио зов пер нап пер нап му код 14 где измерения и на эталонный кондентор 4. Ток через объект 2 измерения при раллельной схеме замещения можно едставить в виде двух соста-вляюх - емкостной и активной IrUriwCx+g r (1) испытательное напряжение; оператор сдвига фазы; круговая частота; емкость в параллельной схеме замещения; RX - сопротивление в параллельной схеме замещения. Сигнал в виде тока с в лхода объек2 измерения поступает на вход вого преобразователя 3 ток - нажение. Напряжение на выходе этого образователя пропорционально тоix S UnriUTi Cx -Xn,, (2) - коэффициент преобразования первого преобразователя 3 ток - напряжение. Ток через эталонный конденсатор 4 ен 1«-ит1 С«7 -(3) Сц - емкость эталонного конденсатора 4. Напряжение на выходе второго преазователя 5 ток - напряжение проционально току IK S Un;,-UTlUCN-Kn,, Кр - коэффициент преобразования второго преобразователя 5 ток - напряжение. Напряжение на выходе первого фаращателя, 1 2 сдвинуто по фазе отительно Up на 90° (четверть педа) Напряжение на выходе первого фаращателя 12 служит опорным Щ1Л вого преобразователя 13 код ряжение. Напряжение на выходе вого преобразователя 13 код ряжение пропорционально опорнонапряжению, а также цифровому у, записанному в первом счетчике импульсов: I т1| .JlL on, Ugn - опорное напряжение первого преобразователя код - напряжение 13;

N4 - текущее значение цифрового г кода в первом счетчике 14 импульсов; т - максимальное значение цифрового кода в первом счётчике 14 импульсов. Подставляя значение UQH равное напряжению на выходе первого фазовращателя 12, из уравнения (5) в уравнение (6), получим

иаыхпкн; т Сн-оай; - (7)

На опорный вход второго преобразвателя 15 код - напряжение поступает сигнал в виде напряжения с выхода первого преобразователя 13 код напряжение. Это напряжение является опорным для второго преобразователя 15 код - напряжение.

На управляющий вход.второго преобразователя 15 код - напряжение потупает сигнал в виде цифрового кода с выхода второго счетчика 16 импульсов . Тогда выходное напряжение второго преобразователя 15 код напряжение равно:

N-1

.П1,и-УВЫКПКН/М 7

JebiifnKHj BbixnKH,

N,

- текущее значение цифрогдевого кода во втором счетчике 16 импульсов;

N - максимальное значение

171 цифрового кода во втором счетчике 16 импульсов. Подставляя в уравнение (8) значе выхпкн уравнения (7), получим

e,.xa.H,U,iwC,.k,-j. (9)

Сигнал в виде напряжения с выхода первого преобразователя 13 код напряжение поступает на вход второго фазовращателя 17, где осуществляется сдвиг напряжения по фазе на -90°. Тогда для выходного напряжения второго фазовращателя 17 можно записать

N,

. (10)

U ji ebixnkH UT-OCN Knj

Сигнал в виде напряжения с выхода второго фазовращателя 17 поступает на первый вход сумматора 18, сигнал в виде напряжения с выхода второго преобразователя 15 код - напряжение поступает на второй вход сумматора 18. На выходе сумматора 18 получается напряжение, равное

u, U/jO)C,.K,.U,uC,.,.J-l.,b.ni)

На первый вход компаратора 30 (фиг. 2), соединенный с входом 19

блока 20 сравнения, поступает измеряемое напряжение с выхода первого преобразователя 3 ток - напряжение, на второй вход компаратора 30, соединенный с входом 21 блока 20 5 сравнения, поступает компенсационное напряжение Uj с выхода сумматора 18. Компаратор 30 сравнивает указанные синусоидальные напряжения и формирует последовательность прямоугольных

0 импульсов (меандр) с постоянной амплитудой (фиг. За, 4а), достаточной для срабатывание последующих логических схем (обычно это 5 В), причем фаза сформированной последо5 ватель.ности прямоугольных импульсов зависит от величины и фазы, измеряемо го Ufj и компенсационного-иj; напряжений. На первый вход компаратора 36, соединенный с входом 22 блока 20

0 сравнения, поступает напряжение с выхода второго фазовращателя 17, на первый вход ко таратора 37, соединенный с входом 23 блока 20 сравнения, поступает напряжение Unj

5 с выхода второго преобразователя 5 ток - напряжение. Последние два напряжения сдвинуты одно относительно другого на 90. Компараторы 36 и 37 преобразуют, синусоидальные наQ пряжения 0(.р и Ung в последовательности прямоугольных импульсов (меандр) с постоянной амплитудой (соответственно фиг. 36 и 46). Последовательности прямоугольных импульсов на выходах компараторов 36

и 37 также сдвинуты одна относительно другой на 90. По спаду прямоугольных импульсов с выходов компараторов 36 и 37 с помощью формирователей 35 и 38 импульсов форми0 руются короткие прямоугольные импульсы (соответственно фиг. Зв и 4в).

В момент времени i( (начало измерения) по команде Пуск, подаваемой с выхода блока 26 управления

5 (фиг. Зш), производится установка RS -триггеров 32 и 41 и счетчиков 14 и 16 импульсов в исходное состоя° ние. При этом RS -триггер 32 устанавливается в состояние 1 (фиг.Зд)

0 R5 -триггер 41 - в состояние О и счетчики 14 и 16 импульсов - в состояние О.

Сигнал на выходе R5 -триггера 32 разрешает прохождение импульсов

5 с выхода генератора 34 импульсов через логическую схему И 33 на счетный вход первого счетчика 14 импульсов (фиг. Зе). Сигнал на выходе RS триггера 41 запрещает прохождение импуль0 сов с выхода генератора 34 импульсов . через логический элемент И 4.3 на счетный вход второго счетчика 16 импульсов. Происходит Накопление импульсов (счет) в первом счетчике 5 И импульсов и пропорциональное увеличение амплитуды напряженияивыхп ;н на выходе первого преобразователя 13 код - напряжение, которое является емкостной составляющей компен сационного напряжения. Напряжение enxntHt выходе второго преобразователя 15 код - напряжение, подава мое на второй вход сумматора 18, равно нулю, поскольку счетчик 16 импульсов находится в состоянии О Таким образом, на второй вход комп ратора-30 и на первый вход компара тора 36 поступает напряжение Uj , личина которого пропорциональна ци ровому коду на выходе первого счет чика 14 импульсов. При увеличении напряжения Uj- на выходе второго фазовращателя 17 происходит измене ние фазы последовательности прямоугольных импульсов на выходе компар тора 30 по отношению к фазе последо вательности прямоугольных импульсо на выходе компаратора 36 (не показано) . В момент времени 2 Р равенств емкостных составляющих измеряемого и компенсационного напряжений (с точностью до погрешности измерения остается активная составлякицая из1У1еряемого напряжения. При этом последовательность прямоугольных импульсов на выходе компаратора 30 по фазе совпадает с последовательностью прямоугольных импульсов на выходе компаратора 36 (фиг.За,в tg ) Момент времени 2 Фиксируется прохождением через логический элемент И 31 короткого одиночного импульса (фиг. Зж, {,1 ) с выхода формировател 35 импульсов. Одиночный импульс переводит RS -триггер 32 в состояние О, при этом сигнал с выхода R5 -триггера 32 запрещает прохождение импульсов с выхода генератора 34 импульсов на счетный вход пер вого счетчика 14 импульсов. Таким образом, в момент времени справедливо следующее равенство: Подставляя значения этих напряже НИИ из уравнений (2) и (11), получи ilT-iuC k,t-g.k,.UTjwCN.Kn2 (1 N, N/1 Ur-tO.CH-Kn,j; j Приравнивая активные составляющи напряжений, получим N, Cx-Kni CNX j-f--, (14)

отсюда

Jb. ,

(15)

n/i N2

Сх

- -cj-r kr g -JCxXnj с;; о i Как видно из уравнения (15), значение цифрового кода ада выходе первого счетчика 14 импульсов в момент времени tj пропорционально значению эквивалентной емкости объекта 2 измерения. Одновременно, в момент времениtg по спаду напряжения на выходе RS -триггера 32, формирователь 42 импульсов формирует короткий одиночный импульс (фиг.4г,t2 ), который устанавливает RS -триггер 41 в состояние 1 (фиг. 4д,12 ). Сигнал на выходе R5 -триггера 41 разрешает прохождение импульсов с выхода генератора 34 импульсов через логический элемент и 43 на счетный вход второго счетчика 16 импульсов (фиг. 4е). Происходит накопление импульсов во втором счетчике 16 импульсов и пропорциональное увеличение напряженияйа,, пкн выходе второго преобразователя 15 код 7 напряжение. Увеличение напряженияйвмкпкн4 подаваемого на второй вход сумматора 18, влечет за собой изменение напряжения Uj на выходе сумматора 18, что приводит, в свою очередь, к изменению фазы прямоугольных импульсов на выходе компаратора 30 по отношению к фазе импульсов на выходе компаратора 37. В момент времени t равенства .активных составляющих измеряемогобп, и компенсационного 6j. напряжения фазы прямоугольных импульсов на выходах компараторов 30 и 37 совпадут (фиг. 4а, 6,1). Момент времени tj фиксируется прохождением короткого одиночного импульса с выхода формирователя 38 импульсов через логический элемент И 39, логический элемент ИЛИ 40 на вход R5 -триггера 41 (фиг. 4ж,tз) (5 -триггер 41 устанавливается в соаг тояние О (фиг. 4д). Сигнал с выхода R5 -триггера 41 запрещает прохождение импульсов с выхода генератора 34 импульсов на счетный вход второго счетчика 16 импульсов (фиг. 4e,tj). На втором счетчике 16 импульсов записан цифровой код, соответствукяций числу импульсов, накопленных за время . Таким образом, в момент времени iзcпpaвeдливы равенства (12) и (13). Приравнивая активные составляющие напряжений, получим (16). Кщ и N, --(jOCu-Kn Tr RX т, rimj Подставляя в уравнение (16) знаJll. из уравнения (15), получим

отсюда

NI

(18)

Ч

CxR

Как видно из уравнения (18), значение цифрового кода на выходе второго счетчика 16 импульсов в момент времени , пропорционально тангенсу угла потерь. Момент времени t} соответствует окончанию измерения емкости и тангенса угла потерь.

Одновременно сигнал в виде цифрового хода с выхода первого счетчика 14 импульсов через выход 9 компен сатора 7 подается на первый вход блока 10 индикации, сигнал в виде цифрового хода с выхода второго счетчика 16 импуЛьсов через выход 11 компенсатора 7 подается на второй вход блока 10 индикации.

Время измерения параметров объекта .измерения в известном устройстве состоит из времени преобразований в блоке компенсации, времени дополнительных преобразований в блоке компенсации, времени дополнительных преобразований в счетно-решающем блоке и времени аналого-цифровых преобразований в блоке индикации. Введение в предлагаемое устройство двух преобразователей код напряжение, двух счетчиков импульсов и второго фазовращателя позволяет осуществить одновременно преобразования в блоке компенсации и формирование цифрового кода результата измерений. Последовательное включение преобразователей код - напряжение исключает необходимость

дополнительных преобразований в счетно-решающем блоке.

Использование предлагаемого технического решения в системах автоматики для контроля свойств веществ повьвпает быстродействие автоматического устройства для измерения емкости и тангенса угла потерь в 1,6-2 раза в зависимости от точности измерения. За одинаковое время обеспечивается возможность увеличить число объектов измерения в 1,6 - 2 раза по сравнению с исползованием известного устройства измерения. При сохранении одинакового числа объектов измерения увеличивается частота опроса каждого объекта измерения также в 1,6-2 раз

АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЕМКОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ПОТЕРЬ, содержащее последовательно соединенные источник испы-г тательного напряжения, клеммы для подключения объекта измерения и первый преобразователь ток - напряжение, последовательно соединенные эталонный конденсатор, второй преобразователь ток - напряжение и первый фазовращатель, причем свободный вывод конденсатора соединен с выходом источника испытательного напряжения/ сумматор, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, блок индикации и блок управления, отличающееся тем, что, с целью повыщения быстродействия, в него введены второй фазовращатель, два преобразователя код напряжение и два счетчика импуль;сов, причем опорный вход первого преобразователя код - напряжение сое динен с выходом первого фазовращателя, управляющий вход - с выходом первого счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с первым выходом блока сравнения, выход первого преобразователя код - напряжение соединен с опорным входом второго преобразователя код - напряжение и с входом второго фазовращателя, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго преобразователя код - напряжение, второй вход блока сравнения соединен (Л с выходом первого преобразователя ток - напряжение, третий вход - с выходом второго фазовращателя, четвертый вход - с выходом первого фазовращателя, второй выход блока сравнения соединен со счетным входом второго счетчика И1 1пульсов выход которого соединен с управляющим входом второго преоб{ азователя код - напряжение, выходы счетчиков импульсов соединены соответственно с входами блока индикации, выход блока управлений соединен с входами установки нуля счетчиков импульсов и с входом jустановки исходного состояния блока сравнения.

2Ц К первому счетчику инпульсов

{ К Впюрону с егпчикд tn i flbcoS

е

.

Фиг.З

I