Четырехплечий квадратурный мост для сравнения активных сопротивлений резисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов Советский патент 1984 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к области измерений параметров элементов элект рических цепей переменного тока и может быть использовано при разработ ке и изготовлении четырехплечих квад ратурньсх мостов высших классов точHOCTHj используемых для сравнения ак тивных сопротивлений рез-гсторов с реактивными сопротивлениями конденса торов. Известен четырехплечий квадратурный мост для сравнения активных соп ротивлений резисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов, содер жащий три взаимосвязанных источника питания, чапряжения которых сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90з вспомогательньм емкостной мост с нулевым указателем равновесия, предназначенный для измерений отношения противофазных напряжений двух из упомянутых трек взаимосвязанных источников питания5 два основных нул вых указателя равновесия и четьфе плеча квадратурного моста, причем в первое плечо квадратурного моста подсоединен первый конденсатор, во второе плечо квадратурного моста первый резистор, в третье плечо второй конденсатор, в четвертое плечо - второй резистор, свободные конць первого конденсатора и второго ре зистора подсоединены к незаземленным залшмам двух противофазных взаимосвя занных источников питания, а незазем ленный зажим третьего взаимосвязанно го источника питания, напряжение которого сдвинуто по фазе на ЭО по отношению к двум упомянутым взаимосвязанным источникам напряжения, под соединен к точке соединения первого резистора и второго конденсатора, при этом один основной нулевой указатель подсоединен между корпусом моста и точкой соединения первого конденсатора и первого резистора, а другой основной нулевой указатель ме5кду корпусом моста и точкой соединения второго конденсатора и второго резистора, включенных в плечи квадратурного моста И 3. Недостатками указанного четырехплечего квадратурного моста являются необходимость измерения отношения на ряжений двух противофазных взаимосвязанных источников питания непосредствсипо п MOMEFIT равновесия квадратурного моста, так как отношение

эт;тх 1г,-игряжрннй входит как Р уравнеи второго резистора в плечах киадрл65Jкие равновесия квадратурнмгс) моста, так и в уравнение измерения активных сопротивлений резисторов недостаточная точность измерения отноше 1ия двух упомянутых противофазньсх источников питания с помощью вспомогательного емкостного моста, в котором использованы меры емкости переменного значения, значительное увеличение времени измерений при использонании вспомогательного емкостного моста; высокая стоимость изготовления вспомогательного емкостного моста. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является четырехплечий квадратурный мост, содержащий генератор переменного тока, трансформатор в депи питания моста, резистивно-емкостную фазосдвигающую цепочку в цепи питания моста, индуктивный делитель напряжения, два нулевых указателя равновесия и четырг последовательно соединенных плеча квадратурного моста, образующие незамкнутую электрическую цепь, причем в первое плечо квадратурного моста подсоединен первый резистор, во второе плечо квадратурного моста - первый конденсатор, в третье плечо второй резистор и в четвертое плечо второй конденсатор, а между свободными зажимами первого и второго конденсатора подсоединена обмотка индуктивного делителя напряжения, которая вместе с четырьмя последовательно соединенными плечами квадратурного моста образует замкнутую электрическую цепь, при этом средний вьгаод ofiмотки соединен с общей шиной, первый нулевой указатель равновесия подсоединен между корпусом моста и точкой соединения первого резистора и перв( го конденсатора, второй указатель равновесия - между корпусом моста и точкой соединения второго резистора и второго конденсатора, одна из вторичных обмоток трансформатора питпния подсоединена параллельно обмотчч индуктивного делителя напряжения, /i к концам другой вторичной обмотки, средний вывод которой соединен с корпусом моста, подсоединены последон,тельно соединенные друг с другом розистор и конденсатор фазосдвигающоч цепочки, причем точка соединения резистора и конденсатора этой фазосдвигающей цепочки соединена с точкой соединения первого конденсатора

турного моста. Первичная обмотка трансформатора питания подсоединена к выходным зажимам генератора переменного тока, от которого питается квадратурный мост С2.

Недостатками известного устройства являются значительный ток со среднего вывода обмотки индуктивного делителя напряжения на общую шину, вследствие чего условия эксплуатации его в этом четырехплечем квадратурном мосте существенно отличаются от режима холостого хода, при котором этот ток равен нулю, отнощение напряжений плеч индуктивного делителя напряжения аттестовано в режиме холостого хода, поэтому при появлении тока со среднего вывода обмотки на корпус моста отношение напряжений плеч существенно изменяется, при неизменном (по амплитуде и фазе) токе со среднего вывода обмотки индуктивного делителя напряжения на общую шину моста перемена местами концов обмотки в схеме четырехплечего квадратурного моста (так называемый метод перестановки плеч) либо вообще не нарушает равновесия предварительно уравновешенного квадратурного моста, либо вызывает очень незначительные нарушения равновесия и не позволяет исключить из результатов измерения погрешность от влияния нагрузки индуктивного делителя напряженияJ так как отношение напряжений плеч ин дуктивного делителя напряжения входит в уравнение равновесия четырехплечего квадратурного моста и в уравнение измерения активных сопротивлений резисторов, то указанные недостатки известного четырехплечего квадратурного моста приводят к неустранимым систематическим ошибкам в значение этого отношения, вследствие этого к неустранимым систематическим погрешностям в результатах измерения активных сопротивлений резисторов.

Цель изобретения - повышение точности результатов измерения.

Поставленная цель достигается тем, что четырехплечий квадратурньй мост для сравнения активных сопротивлений резисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов, содержащий генератор переменного тока, трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выходными зажимами генератора переменного тока, один из которых соединен с общей шиной, первая вторичная обмотка трансформатора подсоединена к зажимам питания к)адратурного моста, состоящего из чередующргхся последовательно соединенных двух резисторов и двух конденсаторов, два указателя равновесия, первый из них включен между общей шиной и зажимом для подключения измеряемого резистора и образцового конденсатора, второй - между общей шиной и зажимом для подключения второго измеряемого резистора и второго образцового конденсатора, резистивно-емкостную фазосдвигающую цепочку, состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенную ко второй вторичной обмотке трансформатора, средний вывод которой соединен с общей шиной, а общий зажим для соединения конденсатора и резистора подключен к зажиму для подключения первого образцового конденсатора и второго измеряемого резистора, снабжен дополнительно симметрирующей, ветвью, содержащей два последовательно соединенных конденсатора, ключом, вспомогательным мостом и второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочкой, подсоединенной параллельно первой, причем конденсатор второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки подсоединен к резистору первой рези :тивно-емкостной фазос;г,вигающей тнпочки, а резистор второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки подсоединен к конденсатору первой резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки, при этом индикаторная диагональ вспомогательного моста соединена с зажимами питания квадратурного моста, два смежных плеча из четырех плеч вспомогательного моста содержат последовательно соединенные резистор и конденсатор, а два смежных плеча вспомогательного моста совмещены с плечами квадратурного моста, вторая генераторная вершина вспомогательного моста соединена с зажимом для подключения выводов резистора и конденсатора второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки, ключ включен между выводом от средней точки обмотки индуктиного делителя напряжения и ббщей шиной, симметрирующая ветвь подсоединена параллельно обмотке индуктивного делителя напрягжения,, а последовательно соединенные выводы двух конденсаторов симметрирующей ветви подсоединены к общей шине. Путем создания дополнительных устройств для контролируемого уменьшения тока со среднего вывода обмотк индуктивного делителя напряжения на корпус моста этот ток уменьшен до такой пренебрежимо малое величины, дальнейшее уменьшение которой уже практически не влияет на результаты измерения. На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого четырехплечего квадратурного моста для сравнения активньгх сопротивлений резисторов с реактивными сопро тивлениями конденсаторов. Четьфехплечий квадратурный мост для сравнения активных сопротивлений резисторов с реактивными сопротивлениями конденсаторов содержит генератор 1 переменного тока,выходное напряжение переменного тока которого подведено к трансформатору 2 питания при этом первичная обмотка 3 трансформатора 2 питания подсоединена к выходным зажимам генератора 1 переменного тока, а с помощью двух вторичных обмоток 4 и 5 трансформатора 2 питания могут быть получены три взаимосвязанный напряжения для пита ния квадратурного моста, при этом вторичная обмотка 5 снабжена отводом от его среднего вьшода 6, средний вывод 6 вторичной обмотки 5 соединен с общей шиной 7 моста, с помощью индуктивного делителя 8 напряжения напряжение, снимаемое с вторичной обмотки 4, может быть разделено на две практически равные части, для этого индуктивный делитель 8 снабжен обмоткой 9 с отводом от ее средней точки, средний вывод обмотки 9 подсоединен к одному из двух зажимов ключа 10, причем второй зажим ключа 10 соединен с общей шиной 7 моста, при этом концы обмотки 9 подсоединены к концам вторичной обмотки 4 тран форматора 2 питания в вершинах 11 и 12питания квадратурного моста. Параллельно обмотке 9 между вершинами 11 и 12 подсоединена симметри рующая ветвь, которая содержит два конденсатора 13 и 14, конденсаторы 13и 14 соединены последовательно другом, общие их выводы соеди нены с общей шиной 7 моста, а свобод ные выводы конденсаторов 13 и 14 подсоединены к вершинам 11 и 12. Квадратурный четырехплечий мост (фиг, 1) содержит четыре плеча, в которые подсоединены два измеряемых резистора и два образцовьгх конденсатора. Первый измеряемьп1 резистор 15 подсоединен в первое плечо квадратурного моста между вершиной 11 и зажимом 16, первый образцовый конденсатор 17 подсоединен во второе плечо квадратурного моста между зажимами 16 и 18, второй измеряемый резистор 19 подсоединен в третье плечо квадратурного моста между зажимами 18 и 20, второй образцовый конденсатор 21 подсоединен в четвертое плечо квадратурного моста между зажимом 20 и вершиной 12. Квадратурный мост снабжен двумя указателями равновесия 22 и 23. Первьй указатель равновесия 22 подсоединен между общей шиной 7 моста и зажимом 16, к которому подсоединены . измеряемый резистор 15 и образцовьй конденсатор 17, второй указатель равновесия 23 подсоединен между общей шиной 7 моста и зажимом 20, к которому подсоединены измеряемый резистор 19 и образцовьй конденсатор 21. Между вершиной 11 и зажимом 12 параллельно обмотке 9 подсоединены последовательно соединенные резистор 24, конденсатор 25, резистор 26 и конденсатор 27, причем выводы резистора 24 и конденсатора 27 подсоединен к вершинам 12 и 11 соответственно, с помощью резисторов и конденсаторов 24 - 27 образованы два плеча вспомогательного моста, индикаторные вершины которого соединены с вершинами 11 и 12, одна из генераторных вершин вспомогательного моста совмещена с зажимом 18, а другая генераторная вершина этого моста образована верщйной 28 J в которой соедин.ены последовательно конденсатор 25 и резистор 26, причем первое плечо вспомогательного моста между вершинами 12 и 28 образовано последовательно соединенными резистором 24 и конденсатором 25, второе плечо вспоогательного моста между вершинами 28 и 11 образовано последовательно соединенными резистором 26 и конденсатором 27, а два другие плеча вспоогательного моста совмещены с резисорами 15, 19 и конденсаторами 17 и 21 квадратурного моста, при этом третье плечо вспомогательного моста между вершино 1 11 и зажимом 18 совмещены с резистором 15 и конденсатором 17, а четвертое плечо вспомогательного моста между вершиной 12 и зажимом 18 совмещено с резистором 19 и конденсатром 21. Параллельно вторичной обмотке 5 трансформатора 2 питания подсоединены две резистивно-емкостные фазосдвигающие цепочки. Одна из этих резнетивно-емкостных фазосдвигающих цепочек образована резистором 29 и конденсатором 30, которые соединены пос ледовательно между собой к вершине 31 измерительной диагонали, а свобод ные выводы резистора 29 и конденсато ра 30 подсоединены ко вторичной обмотке 5 в вершинах 32 и 33 питания соответственно. Вторая резистивно-ем костная фазосдвигающая цепочка образована резистром 34 и конденсатором 35, которые соединены между собой последовательно во второй вершине 36 измерительной диагонали, причем оставшийся свободный вывод резистора ЗА подсоединен к вершине 33, к кото рой подсоединен конденсатор 30, а оставшийся свободный вывод конденсатора 35 подсоединен к вершине 32, к которой подсоединен резистор 29. Вер шины мостовой цепи 18 и 31, 28 и 36 соединены между собой. Четырехплечий квадратурный мост можно считать уравновешенным только в том случае, если указатели равновесия 22 и 23 одновременно фиксируют отсутствие разности потенциалов (нап ряжений) между зажимом 16 и общей шиной и зажимом 20 и общей шиной как при замкнутом, так и при разомкнутом положении ключа 10. Так как в момент равновесия четырехплечего квадратурного моста замыкание и размыкание ключа 10 не вызывает появления напряжений разбаланса на входе указателей равновесия 22 и 23, то это свидетельствует о«том,что потенциал средней точки обмотки 9 равен потенциалу общей шины 7 моста. При этом напряжения IJ.-, У12-т (соответствующие падениям напряжений на конденсаторах 13 и 14 симметрирующей ветви) соответственно равны напряжениям U.g и .-g (падениям напряже ний на двух половинках обмотки 9), а потенциал среднего вывода обмотки 9 равен потенциалу общей шины моста, вследствие чего ток между средним вы водом обмотки 9 и общей шиной моста равен нулю как при разомкнутом ключе 10, так и при замкнутом ключе 10, т.е. индуктивный делитель напряжения работает в режиме холостого хода, без без токов нагрузки, в условиях, при которых выполнена аттестация отношения напряжений его плеч с помощью специальной измерительной аппаратуры до установки в схему четьфехплечего квадратурного моста. Уравновешивание четырехплечего квадратурного моста с использованием симметрирующей ветви и вспомогательного моста имеет следующий порядок. 1.При замкнутом ключе 10 изменением параметров элементов плеч квадратурного моста (резисторов и конденсаторов 15, 17, 19 и 21), изменением амплитуды и фазы напряжения, снимаемого с вершины 31 первой фазосдвигающей цепочки (резистор 29 и конденсатор 30) и подводимого к вершине 18, уравновешивают четырехплечий квадратурный мост, добиваясь одновременных нулевых показаний указателей равновесия 22 и 23. 2.При разомкнутом ключе 10, если на указателях равновесия 22 и 23 появилось напряжение разбаланса квадратурного моста, восстанавливают равновесие попеременным изменением емкости конденсаторов 13 и 14 симметрирующей ветви и параметров резисторов 24 и 26 и конденсаторов 25 и 27 вспомогательного моста, снова добиваясь одновременных нулевых показаний указателем равновесия 22 и 23. 3.Повторить пункт 1. Практически достаточно вьтолнить регулировку симметрирующей ветви и вспомогательного моста один раз, но для надежности следует ее повторить, чтобы не было случайных ошибок. Выполненная один раз регулировка симметрирующей ветви и вспомогательного моста может сохраняться в течение нескольких дней, если в этот период времени четырехплечий квадратурный мост не подвергается последовательной разборке и сборке. В момент равновесия четырехплечего квадралурного моста имеют место следующие соотношения: а) ключ 10 замкнут ZRZ,к -ч б) ключ 10 разомкнут V3.,Vl.o 18-7 ., г 2р ч -1 Из соотношения (1) и (2), если они выполнены одновременно при замкнутом и разомкнутом ключе 10, следуе что Z Z Zp Z Z v; 2 a-7 /1 «2 S Ч где Zp , Zn полные сопротивления измеряемых резисторов 15 и 19, включенных в первое и третье плечо квадратурного моста соответственноi полные сопротивления образцовых конденсато ров 17 и 21, включен ных во второе и четвертое плечо квадрату ного моста соответст венно; отношение напряжений плеч индуктивного дел теля напряжения, изм ренное в режиме холо того хода (при отсут ствии тока со средне го вывода обмотки 9) Так как в четырехплечем квадратур ном мосте индуктивный делитель напряжения работает в режиме холостого хода, то имеется возможность использовать метод перестановки его ; плеч. Введем обозначение для отношения напряжений плеч индуктивного делителя напряжения: lf:il ({r+oL + ip) , И где о(, и /, - синфазная и квадратурна поправки к номинальному отношению напряжений плеч индуктивного делите ля напряжения,-равному единице (1:1). 6510 Если при одном уравновешивании четерехплечего квадратурного моста получено уравнение равновесия: 2„ 2 г, K1 к 1 2 12-9 / а после перемены местами подключения концов обмотки 9 получено уравнение равновесия (6) /и , V 7 7 7 7 { s R R c ITi Rl Rj C 2 V 12-9 1 TO из (5) и (6) получаем соотношение I И 11-9 7 2 Z Z I 7 2 i- f-f. f. -((Из соотношений (7) и (8) получаем соотношение (9), свободное от влияния отношения напряжений плеч индуктивного делителя напряжения z:zi z Z: Z R. R. R. Если при уравновешивании четырехплечего квадратурного моста в качестве регулируемых элементов в плечах были использованы, например, емкость конденсатора 17 (Z -;-гг-(l + i+tsjc t) и реактивная составляющая резистора 15 (IR R, (HjwTp + ) и регулируемое по амплитуде и фазе напряжение йервой фазосдвигающёй цепочки (резистор 29 и конденсатор 30), снимаемое с вершины 31 и гродаваемое вершине 18 четырехплечего квадратурного моста,то искомое уравнение измерения для измерения активных сопротивлений Rj измеряемых резисторов 15 и 19 моет быть получено в виде соотношения: 1+F(V,V°). (-.) 2 -значение емкости конденсатора 17 при двух уравновешиваниях четырехплечего квадратурного моста; -круговая частота переменного тока; -значение емкости конденсатора 2.1; F(V,V -поправка, которая включает в себя члены, содержащие остаточные па

ЧЕТЫРЕХПЛЕЧИЙ КВАДРАТУРНЫЙ МОСТ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ АКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ РЕЗИСТОРОВ С РЕАКТИВНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ КОНДЕНСАТОРОВ, содержащий генератор переменного тока, трансформэтор, первичная обмотка которого соединена с выходными зажимами генератора, переменного тока, один из которых соединен с общей шиной, первая вторичная обмотка трансформатора подсоединена к зажимам питания квадратурного моста, состоящего из чередующихся последовательно соединенных двух резисторов и двух конденсаторов, два указателя равновесия, первьй из них включен между общей шиной и зажимом для подключения измеряемого резистора и образцового конденсатора, второй - между общей шиной и зажимом для подключения второго измеряемого резистора и второго образцового конденсатора, резистивно-емкост- ную фозосдвигаемую цепочку, состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенную ко второй вторичной обмотке трансформатора, средний вывод которой соединен с общей тиной, а общий зажим для подключения конденсатора и резистора подключен к зажиму соединения первого образцового к нденсатора и второго измеряемого резистора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, o1 снабжен дополнительно симметрирующей ветвью, содержащей два последовательно соединенных конденсатора, ключом, вспомогательным мостом и второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочкой, подсоединенной парал|лельно первой, причем конденсатор второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки подсоединен к резистору первой фазосдвигающей цепочки, а резистор второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки подсоединен к сл конденсатору первой резистивно-пмкостной.фазосдвигающей цепочки, при этом индикаторная диагональ вспомогательного моста соединена с зажимами питания квадратурного моста, два смежных плеча из четырех плеч вспомогательного моста содержат последовательно соединенные резистор и конденсатор, 00 О5 а два других смежных плеча вспомогательного моста совмещены с плечами квадратурного моста,вторая генераторел ная вершина вспомогательного моста соединена с зажимом для подключения выводов резистора и конденсатора второй резистивно-емкостной фазосдвигающей цепочки, ключ включен между выводом от средней точки обмотки индуктивного делителя напряжения и общей щиной, симметрирующая ветвь подсоединена параллельно обмотке индуктивного делителя напряжений, а последовательно соединенные выводы двух конденсаторов симметрирующей ветви подсоединены к общей шине.