Способ измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных двухполюсников и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК G01R17/10 G01R27/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных двухполюсников,

.Цель изобретения - повьшение точности измерения параметров комплексных двухэлементных двухполюсников за счет уменьшения погрешности от нестабильности амплитуд напряжений, снимаемых с мостовой измерительной цепи.

На фиг. 1 и 2 изображены мостовая измерительная цепь и векторная диаграмма токов и напряжений при последовательной схеме замещения иссле дуемого двухполюсника, имеющего емкостный характер; на фиг. 3 и-4 - мостовая измерительная цепь и вектор ная диаграмма токов и напряжений при параллельной схеме замещения исследуемого двухполюсника, имеющего емкостный характер; на фиг. 5 - структурная схема устройства для измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных двухполюсников; на фиг. 6 - временная диаграммы работы устройства.

Генератор 1 синусоидального напряжения запитывает мостовые измерительные цепи 2 (фиг, 1 и 3), составленные из последовательно соединенных образцового двухполюсника 3 (Кд), исследуемого двухполюсника 4, состоящего из активного 4.1 (Ry) и реактивного 4.2 (Х,,) элементов, образующих верхнюю ветвь моста, и двух последовательно соединенных однородных образцовых дву полюсников 5 (R) и 6 (R ), образующих нижнюю ветвь моста.

На векторных диаграммах (фиг.2 и 4) приняты следующие обозначения:

и„ь - -HiL

ad- К

V Ucf

и

Ъ

вектор напряжения питания мостовой цепи;

вектор падения напряжения, снимаемого с образ.цового двухполюсника 5;

фазовый сдвиг вектора й относительно вектора

вектор падения напряжения на активном элементе исследуемого двухполюсника;

вектор падения напряжения на реактивном элементе исследуемого двухполюсника;

вектор напряжения небаланса мостовой цепи;

15

25

и,

cfc

f Upjj. - вектор падения напряжения на образцовом (исследуемом) двухполюснике при последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюсника; вектор падения напряжения на исследуемом (образцовом) двухполюснике при

Шпоследовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюсника;

1 - ток в верхней ветви моста; ток через активньш элемент 4.1 исследуемого двухполюсника при его параллельной схеме замещения;

20 i - ток через емкостной элемент 4.2 исследуемого двухполюсника 4 при параллельной схеме замещения;

- фазовый сдвиг вектора С„. относительно векто. ра

К - коэффициент деления нижней ветви моста.

30 Устройство для измерения параметров двухэлементных двухполюсников содержит (фиг. 5) генератор 1 синусоидального напряжения, подключенный параллельно к диагонали питания мос35 товой измерительной цепи 2, одна

ветвь которой составлена из последовательно соединенных образцового 3 и исследуемого 4 двухполюсников, а другая - из последовательно соединен40 ных однородных образцовых двухполюсников 5 и 6, два блока 7.1 и 7.2 согласования, подключенные к входам блока 8 разности, усилители-ограничители 9.1-9.3, которые своими выходами

45 подключены к входам элементов 10.1 и 10.2 ЗАПРЕТ , выходы которых подключены к входам блоков 11.1 и 11.2 преобразования временных интервалов в цифровой код, информационные выходы

50 которых через интерфейс соединены с микроэвм 12, которая щиной соединена с блоком 13 индикации.

Для определения параметров пассивного комплексного двухполюсника, име55 ющего нерезонансный характер, на диагональ питания мостовой измерительной цепи с генератора 1 подается напряжение питания, изменяющееся по синусоидальному закону.

Используя закон Ома для участка цепи, расположенной в верхней ветви моста, при последовательной схеме замещения исследуемого двухполюсника (фиг, 1) можно записать:

JVb

R.

йсЬ Ucf Ufb

R,

лу

где Z2- Rp+Z;,.; .

Из векторной диаграммы (фиг. 2) с учетом того, что вектор напряжения питания 0«-ь есть йдосК - в силу однородности образцовых элементов 5 (R) и 6 (R ) нижней ветви, следует:

lUcfl cosy -lUacl. IUc,jl К

X COSl, - lilac ,

(;,tl- sinv IUoidl- K-sinv с учетом (1) можно записать:

lUctl

ItlnJ

(4)

lUffel

TO

(5)

dC

Перепишем уравнения (4) и (5) с учетом уравнений (2) и (3) и будем иметь

RC

X

Rr

X

lUgdl- K-COSU -Юйс IUc,cl

i Uojl К -siny

ToTj

ли

Ry RO

X,R,

(

lUnd K-cosv

lUgcj K- sin у IDacI

(6) (7)

- 1); (8) (9)

Приведенные уравнения отсчета параметров двухполюсников, полученные с использованием амплитудно-фазовых соотношений между сигналами, снимае- мыми с мостовой измерительной цепи,, позволяют существенно уменьшить методическую погрешность от конечного значения импедансов блоков согласования, так как в уравнения не входят напряжения, снимаемые с образцового и исследуемого двухполюсников.

Шунтирование же блоками согласования измерительной диагонали моста

fO

для снятия напряжения небаланса U. и части напряжения питания U, проявляется по сравнению с прототипом в меньшей степени. Это объясняется тем, что когда в неуравновешенном мосте при условии R,R 2 модули R р и Z одного порядка (Rg как образцовый элемент служит для выбора предела измерения) , тогда можно записать приблизительно следующее равенство:

R,Z,«R,R

(10)

)0

Это означает, что напряжение не f5 баланса О, т.е. 0.

Условие (10) тем точнее выполняется, чем ближе Z, к R, т.е. отсюда следует, что шунтирование со стороны блока согласования измерительной диагонали моста проявляется в меньшей степени, чем в случае шунтирования исследуемого либо образцового двухполюсников.

Кроме того, плечи нижней вети 25 ,могут быть выбраны низкоомными (например, трансформатор питания), а следовательно, при снятии напряжения

if , эффект шунтирования также несусь и

щественен.

30

I

Однако при использовании амплитудно-фазовых соотношений между сигналами, снимаемыми с измерительной цепи, точность измерения определяет- ся не только стабильностью амплитуд напряжений, но и фазовых сдвигов между ними.

Использование только фазовых соотношений между сигналами позволяет дополнительно повысить точность измерения параметров комплексных двухполюсников .

Из векторной диаграммы (фиг. 2) согласно теореме синусов следует

Шс.с

з1пГ1т-1(/+ (2iT-у)3

sin(2ir- v). (11)

отсюда

tiT I IUacll-sin(2ii-) sinrv+ (277-v)j

(12)

уравнения (8) и (9) с учетом (12), получим отсчет параметров комплексных двухполюсников в следующем виде:

2cos4 sin Г If +(2ii -Ч )J - ч-У

- О; (13)

Cv

1sin(2ii )

4 f RO sin ysinTM + (2i( -Ч )Г

(14)

В случае, когда схема за мещения исследуемого двухполюсника имеет индуктивный характер.

R.RO (

LX

RO

iTf

2cos (2 i -V ) sin(2 - v ) + sin L/

(15) sin(2ii-f ) sin (Zii-M ) + 4

Напряжение небаланса U (фиг, 5 и 6) мостовой цепи 2 через олок 7.1 f согласования поступает на один из входов блока 8 разности, на другой вход которого подается через блок 7.2 согласования Оу;, , снимаемое с образцового двухполюсника 5, кото- fO рое одновременно подается и на вход усилителя-ограничителя 9.3. Разностное напряжение й, на образцовом (исследуемом) двухполюснике 3 при последовательной (параллельной) схеsint

(16)

Векторная диаграмма напряжений и токов мостовой измерительной цепи при параллельной схеме замещения исследуемого двухполюсника (фиг. 3) представлена на фиг. 4.

В случае, когда схема замещения имеет емкостной характер,

R R 1sin ,

f 2 со8() sinL(2Ti-4 ) + L/J-sin4

WT

(17)

sin(2ii-v) sin(2Tr-4 )+i/

sin i

(18)

когда индуктивньш:

(2//-u)

X 2 cosvsin v+(2i7-v)J -sin()

(19)

L.

R,

sin(2i(-v)

4Trf sinv-sin ic + CZii-t/)

Полученные уравнения отсчета параметров комплексного двухполюсника, выполненного как по последовательной, 50 так и по параллельной схеме замещения, с использованием фазовых соотно1 .15 ме замещения исследуемого двухполюс /

ника ч, ограниченное по амплитуде

усилителем-ограничителем 9.2, подается на один из входов элемента 10.2 ЗАПРЕТ, на другой вход-которого пода20 ется напряжение Uac( ограниченное по амплитуде на усилителе-ограничителе 9.3. Б результате на выходе элемента 10.3 ЗАПРЕТ сформируется сигнал, представляющий собой импульс прямо25 угольной формы с длительностью, пропорциональной фазовому сдвигу v, ве личина которого в виде цифрового кода с блока 11.2 преобразования временных интервалов в цифровой код подается

30 по шине на микроЭВМ 12.

Напряжение небаланса U. , ограниченное по амплитуде усилителем-ограничителем 9.1, поступает на один из входов элемента 10.1 ЗАПРЕТ, на другой вход которого подается напряжение, ограниченное по амплитуде усилителем-ограничителем 9.3. В результате на выходе элемента 10.1 ЗАПРЕТ сформируется сигнал, пропорциональный

40 фазовому сдвигу , величина которого в виде цифрового кода с блока 11.1 преобразования временных интервалов в цифровой код поступает по шине на микроэвм 12, которая произво- (20) 45 Д математическую обработку сигналов по программам, составленным в соответствии с уравнениями (13)-(20) и выдачу результатов на блок 13 индикации.

35

Формула изобретения

шений между сигналами, снимаемыми с измерительной цепи, позволяют реализовать универсальное устройство для измерения параметров комплексных двухполюсников по любой схеме замещения без перестройки структуры устройств.

320760 -6

Устройство работает следующим образом.

Напряжение небаланса U (фиг, 5 и 6) мостовой цепи 2 через олок 7.1 f согласования поступает на один из входов блока 8 разности, на другой вход которого подается через блок 7.2 согласования Оу;, , снимаемое с образцового двухполюсника 5, кото- fO рое одновременно подается и на вход усилителя-ограничителя 9.3. Разностное напряжение й, на образцовом (исследуемом) двухполюснике 3 при последовательной (параллельной) схеФормула изобретения

50

1, Способ измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных 55 двухполюсников, заключаклдкйся в подаче напряжения питания на мостовую измерительную цепь, измерении напряжения небаланса на измерительной диагонали мостовой измерительной цепи

71320760

и формировании сигнала, пропорционального падению напряжения на образцовом (исследуемом) двухполюснике при . последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюс- вика мостовой измерительной цепи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, формируют дополнительньй сигнал.

пропорциональный фазовому сдвигу на- 10 тания мостовой измерительной цепи.

пряжения небаланса относительно напряжения питания, формируют второй дополнительный сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу напряжения на образцовом (исследуемом) двухполюснике мостовой измерительной цепи относительно напряжения питания, а отсчет параметров исследуемого двухполюсника осуществляют при последовательной схеме замещения исследуемого двухполюсника емкостного характера по формулам

R(j

С 2cos V + () .

„ / о-в ,,

4TfR«

sin(2f-4)

sin(2Ti-v)

sin (С +(2ii-i/)3

- индуктивного характера - по формулам

2cos() sin() + .ч ( 1).

- RO sin(2 ii-H ) sin () 35 -- (;,

Tif

sin

20

а при параллельной схеме замещения емкостного характера - по формулам

1 Т

,sin у

S

cos() sinC(2T -v)

J sin(2n-v) sin (2I-if)+y

TifRpsinqi

- индуктивного характера - по. формулам

R sin(2M -L/)

2

RX

cos у. sinfi + (2(1 -4)2 -si-() sin(2i;-v)

L lo

x 4TFf sinf- + (2ii-4 )J

45 гонали мостовой цепи, к которой также подключены второй вывод первого образцового двухполюсника и одна из клемм для подключения исследуемого двухполюсника, а второй вход

2Q второго блока согласования соединен с.общей шиной, выход первого блока согласования соединен с первым входом

где Lf - фазовый сдвиг напряжения не- блока разности и через первый усили- баланса относительно напря- тель-ограничитель с первьпчм входами

55 первого и второго элементов ЗАПРЕТ, выход второго блока согласования соединен с вторым входом блока разности и через второй усилитель-ограничк- тель с вторым входом второго элеменжения питания;

- фазовьй сдвиг напряжения на образцовом (исследуемом) двухполюснике относительно напряжения питания;

R - сопротивление образцового

двухполюсника; f - частота напряжения питания

мостовой цепи.

2, Устройство для измерения параметров пассивных комплексных двухэлементных двухполюсников, содержащее генератор синусо1вдально о напряжения, подключенный к диагонали пи

первая ветвь которой состоит из последовательно соединенных образцового двухполюсника и двух клемм для подключения исследуемого двухполюсника, два блока согласования, при этом первый вход первого блока согласования подсоединен к первог-iy выводу генератора синусоидального напряжения и первого вьшода первого образцового

(исследуемого) двухполюсника при последовательной (параллельной) схеме замещения исследуемого двухполюсника, а второй вход первого блока согласования соединен с общей шиной, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерения, в него введены-блок разности, три усилителя-ограничителя, два элемента ЗАПРЕТ, два преобразователя временных интервалов в код, микро- ЭВМ, блок индикации, вторая ветвь мостовой измерительной цепи, составленная из последовательно соединенных двух однородных образцовых двухполюсников, первые выводы которых подключены к первой вершине измерительной диагонали мостовой цепи, соединенной с общей шиной, при этом -вторые выводы образцовых двухполюсников соединены с вершинами диагонали питания мостовой измерительной цепи соответственно, первый вход второго блока согласования соединен с второй вершиной измерительной диа-

гонали мостовой цепи, к которой также подключены второй вывод первого образцового двухполюсника и одна из клемм для подключения исследуемого двухполюсника, а второй вход

та ЗАПРЕТ, а выкод блока разности через третий усилитель-ограничитель соединен с вторым входом первого эле мента ЗАПРЕТ, выходы элементов ЗАПРЕТ соединены соответственно с вхо- нена с блоком индикации.

дами преобразователей временных интервалов в цифровой код, информационные шины которых подключены к интерфейсу микроэвм, шина которой соедиФиб.Г

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для измерения параметров комплексных двухполюсников. Цель изобретения - повьшение точности измерений путем уменьшения погрешности от нестабильности амплитуд напряжений, снимаемых с мостовой измерительной цепи. Устройство, реализующее способ, содержит генератор 1 синусоидального напряж-гкия, мостовой измеритель 2, мостовую измерительную цепь, одна ветвь которой состоит из образцового 3 и исследуемого 4 двухполюсников, а другая - из однородных образцовых двухполюсников 5 и 6, блоки 7.1 и 7.2 согласования, блок 8 разности, усилители-ограничители 9.1, 9.2 и 9.3,элементы ЗАПРЕТ 10,1 и 10.2, блоки 11.1 и 11.2 преобразова}1ия временных интервалов в цифровой код, микроэвм 12 и блок 13 индикации. Способ предусматривает формирование дополнительного сигнала (ДС), пропорционального сдвигу напряжения небаланса относительно напряжения питания, формирование второго ДС, пропорционального фазовому сдвигу напряже- ния на образцовом или исследуемом двухполюснике (ИД) мостовой измерительной цепи, относительно напряжения питания. Параметры определяют при последов ательной схеме замещения ИД по формулам, приведенным в описании изобретения. 1, 2 с.п. ф-лЫ; 6 ил. (С СО к о о о фиг. 5

фиг.

Фиё.З