Способ уравновешивания мостов переменного тока и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01R17/10 

рой клеммой для лодключения реактивной образцовой меры и первой клеммой для подключения активной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало третьей обмотки соединено с входом детектора равновесия, а конец ее соединен с общей шиной, первый выход детектора r- внoвecия через реверсивный счетчик вспомогательного уравновешивающего элемента соединен с отсчетным блоком по тангенсу угла потерь, второй выход сое динен с блоком управления, первый выход которого соединен с реверсивным счетчиком диапазонов, третий выход детектора равновесия через реверсивный счетчик основного уравновешивающего элемента соединен с первым, вторым, третьим разрядами основного отсчетного блока по емкости, вспомогательный трансформатор напряжения, начало первичной обмотки которого соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало вторичной обмотки соединено с второй клеммой для подключения ак5823

тинной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, блок управле НИН, реверсивный счетчик диапазонов, реверсивные счетчики основного и вспомогательного уравновешивающих элементов, отсчетные индикаторные блоки, отличающееся тем, что в него введены реверсивный счетчик дополнительного уравновешивающего элемента, блок анализа и управления, блок памяти, третья вторичная обмотка основного трансформатора напряжения, причем начало третьей вторичной обмотки основного трансформатора напряжения соединено с концом второй вторичной обмотки этого же трансформатора, четвертый выход детектора равновесия соединен с реверсивным счетчиком дополнительного уравновешиван«цего элемента, -вторые выходы блока управления и реверсивного счетчика основного уравновешивающего элемента соединены с входами блока памяти, а выход его соединен с первым разрядом основного отсчетного блока по емкости и с дополнительным одноразрядным счетным элементом.

1. Способ уравновешивания мостов переменного тока, основанный на сравнении активных выходных величин ветвей объекта измерения и образцовой меры и последующем сведении их разности к нулю путем изменений численного значения N кода уравновешивающего элемента, в том числе таких, при которых числу N придают нормированные значения, а результат измерений вычисляют с учетом этих значений и индицируют в виде числа с количеством разрядов большим, чем количество разрядов уравновешивающего элемента, отличающийся тем, что, с целью повьщ1ения быстродействия измерения и упрощения, уравновешивание моста производят по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента и, если N лежит в пределах , производят смену диапазона измерений на более младший, устанавливают М равным 9, численное значение кода дополнительного уравновешивающего элемента - равным значению N - 0,9, где N - численное значение кода основного .уравновешивающего элемента, полученное при уравновешивании по двум старшим разрядам, приводят мост в состояние полного равновесия изменением численного, значения N, младших разрядов кода основного уравновешивающего элемента, определяя число , соответствующее результату измерений, из соотношения ,9+N,+ N. 2.Способ по п. 1, отличи ющ и и с я тем, что значение К N i -0,9 определяют путем уравновеши(О вания моста изменением состояния дополнительного уравновешиваю1дего элемента до достижения такого состояния измерительной цепи, которое было получено при уравновешивании по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента. 3.Устройство для уравновешивания мостов переменного тока, содержащее ел источник питания, основной трансфорСХ) матор напряжения, первичная обмотка Is9 которого подключена к источнику пита00 ния, начало первой вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения Измеряемого объекта, а конец ее соединен с общей шиной, начало второй вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, компаратор токов, начало первой обмотки которого соединено с второй клеммой для подключения измеряемого обт.екта, а конец ее соединен с обшей шичой, начало второй обмотки соединено с вто

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при построении мостов переменного тока как с автоматическим так и с ручным уравновешиванием, пред назначенных для измерения параметров комплексных сопротивлений.

Известен способ уравновешивания цифровых мостов переменного тока с десятичными диапазонами измерения и ограниченным числом десятичных разрядов (декад) уравновешивающего элемента, при котором сравнивают активные выходные величины (ток или напряжение) ветвей объекта измерения и образдовой меры и изменением численного значения N кода уравновешивающего элемента сводят их разность к нулю 1 .

Этот способ положен в основу подавляющего большинства выпускаемых в настоящее время цифровых мостов переменного тока, например, таких как Р589, Р5016, Р5079.

Недостатком известного способа является снижение точности измерения при уменьшении набора на декадах, при помощи которых осуществляется уравновешивание, за счет роста погрешности от дискретности. Как известно, эта погрешность может быть уменьшена путем введения более младшего разряда (декады) уравновешивания. Однако это приводит к усложнени конструкции приборов, так как требует ус.чожнения структуры и конструкции всего тракта обработки сигнала неравновесия, а также решения сложных проблем обеспечения устойчивости и экранирования, связанных с увеличением коэффициента усиления усилителя неравновесия. Особенно это затруднительно сделать в приборах, у которых уже имеется предельно возможное с точки зрения устойчивости и чувствительности, количество уравновешивающих разрядов, например в мостах Р5016, Р5079. Известен также способ уравновешивания цифровых приборов сравнения, основанный на сравнении активных выходных величин ветвей объекта измере ния и образцовой меры и последующем сведении их разности к нулю путем из менения численного значения N кода уравновешивающего элемента, при кото ром каждый десятичный диапазон делят на Р субдиапазонов, уравновешивая прибор на каждом i-том субдиапазоне изменением численного значения кода уравновешивающего элемента в интерва ле от N до N j , , расположенном в области максима:1ьных числовых значений кода уравновешивающего элемента и удовлетворяющем условию Ii (0 , и осуществляют выбор субдиапазона измерения в зависимости от измеряемой величины изменением номинального отношения коэффициентов передачи ветвей объекта измеК 1 N рения и образцовой меры в П mink-i раз до достижения равновесия, делят численное значение кода уравноБе1иивающего элемента на П min k--r лученное число округляют и индицируют в виде числа с количеством разрядов большим, чем количество разрядов уравновешивающего элемента 2}. Благодаря описанным операциям погрешность от дискретности, связанная с ограниченным числом десятичных раз рядов уравновешивающего элемента при бора, уменьшается в п раз без введения более MJiaдшeгo разряда уравновешивающего элемента. Однако одним из недостатков известного способа является сложность процесса уравновешивания, обусловлен пая необходимостью многократного изменения номинального отношения коэффициентов передачи ветвей объекта из мерения и образцовой меры в строго нормированное число раз (п), для чего требуется пропорциональное числу п количество дополнительных высокоточных образцовых мер, в том числе и дополнительных обмоток, связанных тесной индуктивной связью (в случае использования трансформаторных мостов) , и тому подобных образцовых эле ментов, а также соответствующее количество коммутаторов и устройств для их управления, что усложняет конструкцию прибора и увеличивает аппаратурные затраты. Кроме того, в тех случаях, когда точность средства измерения уже достаточно высока, осуществление таких операций, как изменение масштабных коэффициентов измерительной цепи в строго нормированное число раз N f max k раз) и последующее 1 f mink-i деление в такое же число раз численного значения кода уравновешивающего элемента, должно происходить с точностью не менее чем в 3-5 раз б.ольшей той, которую обеспечивает само средство измерения. Применительно к мосту Р5016, например, имеющему погрешность измерения 0,02%, точность указанных операций должна быть не хуже 0,004 - 0,006%. Осуществление такого рода операций представляет собой достаточно сложную и не всегда технически осуществимую задачу. Следовательно область наиболее целесообразного, применения известного способа уравновешивания - приборы среднего класса точности, результат измерений у которых представляет трех- или четырехразрядным числом. Другой недостаток известного способа заключается в снижении быстродействия. Это связано с тем, что в процессе многократного изменения масштабных коэффициентов измерительной цепи необходимо столь же многократно коммутировать образцовые меры, что, как правило, осуществляют при помощи реле - весьма инерционных элементов. Инерционная коммутация высоких уровней измерительных напряжений или токов, имеющая место при смене образцовых мер, приводит к длительным переходным процессам и, таким образом. к снижению быстродействия. Известен цифровой автоматический мост переменного тока Р5016, содержащий источник питания, основной и вспомогательный трансформаторы напряжения, вторичные обмотки которых входят в состав основного и вспомогательного уравновешивающих элементов соответственно, компаратор токов, образцовые меры, детектор равновесия, блок управления, реверсивный счетчик диапазонов, реверсивные счетчики основного и вспомогательного уравновешивающих элементов и отсчетные инди51каторные блоки, в том числе пятиразрядный отсчетный блок по основному измеряемому параметру sj. При измерении величин, численное значения которых начинается с единицы, погрешность от дискретности моста Р5016 составляет 0,01%. Это не позволяет эффективно использовать за ложенную в нем разрешающую способность и лишает возможности получать высококачественную измерительную информацию о состоянии широкого класса метрологических объектов, что сужает область применения моста. Погрешность от дискретности моста Р5016 может быть уменьшена, например, до значения 0,003 - 0,006% за счет применения известного способа уравновешивания приборов сравнения. Однако это приводит к резкому усложнению конструкции моста, так как тре бует применения сложных вычислительных устройств и дополнительного метрологического оборудования, способных совместно решить проблему дополнительных преобразований измерительных сигналов с точностью не менее значения ожидаемой при этом погрешности от дискретности, т.е. с точнос тью (0,004 - 0,006%). Кроме того, быстродействие моста Р5016 при этом заметно уменьшается. Цель изобретения - повьш1ение быст родействия измерения и упрощение. Поставленная цель достигается тем что согласно способу уравновешивания мостов переменного тока, основанному на сравнении активных выходных величин ветвей объекта измерения и образ цовой меры и последующем сведении их разности к нулю путем изменений численного значения N кода уравновешивающего элемента, в том числе таких, при которых числу N придают нор мированные значения, а результат измерений вычисляют с учетом этих значений и индицируют в виде числа с количеством разрядов большим, чем количество разрядов уравновешивающего элемента, уравновешивают мост по двух старшим разрядам основного урав новешивающего элемента и, если N лежит в пределах 1 N 3, производят смену диапазона измерений на более младший, устанавливают N равным 9, N- численное значение кода дополнительного уравновешивающего элемента равным значению N - 0,9, где .3 численное значение кода основного уравновепшвающего элемента, полученное при уравновешивании по двзт старшим разрядам, приводят мост в состояние полного равновесия изменением численного значения N младших разрядов кода основного уравновешивающего элемента, определяя число N , соответствующее результату измерений, из соотношения Мизм 0,9+N N Кромётого, значение ,-0,9 определяют путем уравновешивания моста изменением состояния дополнительного уравновешивающего элемента до достижения такого состояния измерительной цепи, которое было получено при уравновешивании по двум старшим разрядам основного уравновешивающего элемента. В устройство для уравновешивания мостов переменного тока, содержащее источник питания, основной трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к источнику питания, начало первой вторичной обмотки соединено с первой клеммой для под- ключения измеряемого объекта, а конец ее соединен с общей шиной,-начало второй вторичной обмотки соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, компаратор токов, начало первой обмотки которого соединено с второй клеммой для подключения измеряемого объекта, а конец ее соединен с общей шиной, начало второй обмотки соединено с второй клег- мой для подключения реактивной образцовой меры и первой клеммой для подключения активной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало третьей обмотки соединено с входом детектора равновесия, а конец ее соединен с общей шиной, первый выход детектора равно весия через реверсивный счетчик вспомогательного уравновешивающего элемента соединен с отсчетным блоком по тангенсу угла потерь, второй выход соединен с блоком управления, первый выход которого соединен с реверсивным счетчиком диапазонов, третий выход детектора равновесия через реверсивный счетчик основного уравновешивающего элемента соединен с первым, вторым, третьим разрядами основного отсчетного блока по емкости, вспомогательный трансформатор напряжения, начало первичной обмотки .которого соединено с первой клеммой для подключения реактивной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, начало вторичной обмотки соединено с второй клеммой для подключения активной образцовой меры, а конец ее соединен с общей шиной, блок управления, реверсивный счетчик диапазонов, реверсивные счетчики основного и вспомогательного урав новешивающих элементов, отсчетные ин дикаторные блоки, введены реверсивный счетчик дополнительного уравнове шивающего элемента, блок анализа и управления, блок памяти, третья вторичная обмотка основного трансформатора напряжения, причем начало треть ей вторичной обмотки основного транс форматора напряжения соединено с кон цом второй вторичной обмотки этого же трансформатора, четвертый выход детектора равновесия соединен с реверсивным счетчиком дополнительного уравновешивающего элемента, вторые выходы блока управления и реверсивного счетчика основного уравновешивающего элемента соединены с входами блока памяти, а выход его соединен с первым разрядом основного отсчетно го блока по е 1кости и с дополнительным одноразрядным отсчетным элементом. Предлагаемый способ может быть рассмотрен на примере работы цифрового автоматического моста с трансформаторной измерительйЬй цепью, предназначенного, например, для изм рения емкости и тангенса угла потер На чертеже представлена структур нал схема устройства. Устройство содержит измерительную цепь 1, состоящую из источника питания 2,основного трансформатора 3 напряжен с первичной обмоткой 4 и вторичными обмотками 5-7,измеряемого объекта 8, компаратора 9 токов с обмотками 10 - 12, образцовых мер 13 и 14, вспомогательного трансформатора 15 напряжения с первичной обмоткой 16 и вторичной обмоткой 17; реверсивны счетчик 18 диапазонов, детектор 19 равновесия, блок 20 управления, реверсивный счетчик 21 основного урав новешивающего элемента (счетчик емкости), блок 22 анализа и управлени реверсивный счетчик 23 дополнительн го уравновешивающего элемента (допо 1 3 нительньш счетчик емкости), блок 24 памяти, дополнительный одноразрядный отсчетный элемент 25 по емкости, основной -четьфехразрядный отсчетный блок 26 по емкости с первым разрядом 27, вторым разрядом 28, третьим разрядом 29 и четвертым разрядом 30, реверсивный счетчик 31 вспомогательного уравновешивающего элемента (счетчик тангенса угла потерь). отсчетный блок 32 по тангенсу угла потерь. Работа моста осуществляется следующим образом. Предположим, что измерению подлежит конденсатор, действительное значение емкости которого составляет 1,2004 пФ. Конденсатор подключают к мосту и регулировкой числа витков обмоток 5 и 10 основного трансформатора 3 напряжения и компаратора 9 токов соответственно осуществляют выбор диапазона измерений. Затем регулировкой числа витков обмотки 6, осуществляемой при помощи реверсивного счетчика 21, уравновешивают мост по двум старшим разрядам, т.е. изменяют численное значение N кода основного уравновешивающего элемента, в объеме двух десятичных разрядов. С учетом состояния реверсивного счетчика 18 диапазонов, т.е. с учетом положения запятой, N пропорционально отсчету 1.200 пФ. Обозначим численное ,.значение кода, пропорциональное этому отсчету, через N1. Состояние основного уравновешивающего элемента оценивчется блоком 22 анализа и управления. По результатам анализа блок 20 управления осуществляет последовательно следующие операции: запись состояния реверсивного счетчика 21 в блок 24 памяти; установку старшего разряда реверсивного счетчика 21 в 9; смену диапазона измерений на более младший путем изменения на порядок числа витков обмотки 10 компаратора 9. После выполнения указанных операций численное значение N кода основного уравновешивающего элемента, т.е. состояние реверсивного счетчика 21 становится пропорциональным отсчету, равному 900,0 пФ. Затем мост по команде блока 20 управления переводят на уравновешивание при помощи дополнительного уравновешивающего элемента. Для этого счетные импульсы, вырабатываемые детектором 19 равновесия, подают на вход реверсивного счетчика 23, связанного с коммутирующими элементами обмотки 7, и уравновешивают мост до тех пор, пока не будет достигнуто такое состояние равновесия, которое уже бьшо получено при уравновешивании по двух старшим разрядам основно го уравновешивающего эле 1ента, (т.е. когда численное значение N кода этого элемента соответствует отсчету по емкости, равному 1,200 пФ. После осуществления указанного уравновешивания численное значение N кода дополнительного уравновешивающего элемента пропорционально отсчету, равному 30 пФ. Иными словами, такое уравновешивание становится эквивалентным осуществлению операции вычитания, представляемой аналитичес ки как ,9. Если число витков, приходящихся на шаг старшей и младшей декад основ ного и дополнительного уравновешиваю up-ix элементов соответственно,выбрать одинаковым, то отсчет, соответствуюшдй состоянию декад дополнительного уравновешивающего элемента, составит 0,4 пФ, из чего видно, что во всех случаях необходимое число декад дополнительного уравновешивающего элемента не превышает двух. Затем путем изменения численного значения младших разрядов кода основного уравновешивающего элемента и изменением состояния вспомогательного уравновешивающего элемента (обмотка 17, счетчик 31, блок 32) мост приводят в состояние полного равнове сия . Численное значение кода OCHOBHO го уравновешивающего элемента, равное 0,, составит при этом величину, про.порциональную отсчету по емкости, равному 900,4 пФ. Далее информация, записанная в блоке 24 памяти, по команде блока 20 управления переносится в дополнитель ный одноразрядный стсчетный элемент 25 и основной четырехразрядный отсчетный блок 26 таким образом, что единица, соответствовавшая состоянию первого (старшего) разряда ревер сивного счетчика 21, индицируется на дополнительном отсчетном элементе 25 а двойка, соответствовавшая состоя ВИЮ второго разряда реверсивного сче чика 21, индицируется на первом разряде 27. На остальных, младнгих, разрядах - втором 28, третьем 29, четвертом 30 - индицируется число, пропорциональное численному значению N младших разрядов кода основного уравновешивающего элемента, т.е. пропорциональное состоянию младших разрядов реверсивного счетчика 21 и равное по результатам уравновешивания 004. На основном четырехразрядном отсчетном блоке 26 и дополнительном одноразрядном отсчетном элементе 25 будет индицироваться результат изм ерений в виде пятиразрядного числа, равного 1,2004 пФ, что эквивалентно осуществлению операции суммирования, представляемой выражением 0,9+Ni4-N Погрешность от дискретности в этом случае составляет 0,01%, т.е. в 10 раз меньше той, которая имела бы место у места с четырехразрядным уравновешивающим элементом без использования данного способа уравновешивания. Предлагаемый способ основан на более простых операциях - вычитании и суммировании, не требующих многократного изменения масштабных коэффициентов ветвей измерительной Цепи и смены образцовых мер. Это упрощает как сам процесс уравновешивания, так и его реализацию, освобождая от необходимости применять функционально сложные вычислительные устройства и от необходимости дополнительной коммутации нормирующих элементов, приводящей к затратам времени измерения, а также способствует тому, что предлагаемый способ может быть применен в мостах с ручным уравновешиванием, .которые широко используются там, где специфика процесса измерений исключает его автоматизацию, например в области электрохимии, метрологии и т.п. Снижение погрешности от дискретности в общем случае достаточно производить не для всех- численных значений кода основного уравновешивающего элемента, а только для тех из них, которые лежат в пределах . Ограничение упрощает конструкцию приборов, так как упрощает реализацию дополнительного уравновещивающего элемента, а также блока памяти и блока анализа и управления, уменьшая связанные с ними аппаратурные затраты. Таким образом, данный способ уравновешивания может бь.ть эффективно применен для усоверше ствования та11. n0582312

ких серийно выпускаемых мостов пере- тов в результате применения предламенного тока как Р5016, Р5079 и др. гаемого способа уравновешивания с Погрешность от дискретности этих мое- учетом условия составит 0,001