Способ определения параметров комплексных двухполюсников и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к измерениям параметров комплексных двухполюсников.г

Цель изобретения - повышение точности определения параметров комплексных двухполюсников за счет исключения погрешности от конечного значения входного импеданса вольтметра ю при работе с высокоомныьш датчиками и за счет исключения погрешности от ненулевого значения внутреннего сопротивления генератора гармонического сигнала при работе с низкоомными дат- 15- чиками.

На фиг, I схематически изображено устройство для реализации способа определения параметров комплексных двухполюсников; на фиг. 2 - 4 - экви-20 валентные схемы устройства в 1-ом, 2-ом и 3-ем тактах измерения соответственно.

Устройство для рбализации способа определения содержит пятиплечий мост, в оцну из ветвей которого входит образцовый двухполюсник Г (R), переключатели 2.1, 2.2 и 2.3, один из зажимов образцового двухполюсника 1 через первый контакт переключателя 30

2.1соединен с однородным образцовым двухполюсником 3 (Rj), вольтметр 4, один из зажимов которого соеинен с образцовым двухполюсником 5 (R.p) , однородным двухполюснику 3 35 (Z5) и с зажимом исследуемого двухполюсника 6 Z (Y ) , другой зажим которого через контакт переключателя

2.2соединен с первым зажимом образового двухполюсника 7 (X о), после- 40 овательно соединенные генератор 8 синусоидального напряжения, амперметр 9, преобразователь 10 ток - апряжение и фазометр 11, при этом дин из выходов преобразователя 10 45

.

I, (R ,+Rj,+Z у) f 12 V-I зЯо I.Zv+12(Z Ri+Zx-jXo)+t

-I Д„+1 ,(z -j|:j+i3(Ro+z

.50

Так как направления обхода контурных токов 1, и IJ не совпадают, то в первом и третьем уравнениях появляется знак -.

Во втором такте измерения контак- ее ты переключателей 2.I и 2.2 переводятся в положение II, а контакт переключателя 2.3 остается в положении I, измеряют напряжение в измечерез контакты переключателя 2.3 соединен с вторым зажимом образцового двухполюсника 7.

На фиг. 2-4 приняты следующие обозначения: внутреннее сопротивление 12 (Z) вольтметра 4, внутренее сопротивление 13 (Z.) генератора 8, внутреннее сопротивление 14 (Z) амперметра 9 и внутреннее сопротивление 15 (Z) преобразователя 10 ток - напряжение.

Процесс измерения параметров комплексных двухполюсников осуществляется за три такта. Расчеты осуществимы для комплексного двухполюсника, имеющего, например, емкостный характер сопротивления, и, соответственно, для емкостного образцового двухполюсника 7.

В первом такте измерения контакты переключателей 2.1 - 2.3 находятся в положении I - измеряют напряжение в измерительной диагонали U {. j, и ток I3 в диагонали питания. Модули У j. J и I измеряют вольтметром 4 и амперметром 9, а фазовый сдвиг (Ч )Усй относительно 1-е помощью преобразователя 10 ток - напряжение и фазометра 11. В качестве преобразователя ток - напряжение может быть использован трансформатор тока, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное и синфазное току.

Как видно из эквивалентной схемы на фиг. 2, устройство содержит три независимых контура. Выберем произвольно положительные направления обхода контуров и будем считать эти направления также положительными направлениями контурных токов 1, 1у 1у

Составим систему линейных уравнений для каждого .из контуров в комплексной форме:

;

(Z,-jXo) 0;(1)

-JXo+Z,+Zr+Zn) Е.

1

рительной диагонали У и ток I

в диагонали питания с помощью вольтметра 4 и амперметра 9 и фазовый сдвиг между ними L/ с помощью фазометра 11.

Согласно эквивалентной схеме на фиг. 3 система уравнений для контуров будет иметь следующий вид:

В третьем такте измерения контакты переключателей 2.1 и 2.2 остаются в положении II, а контакт переключателя 2,3 переводится в положение IIj измеряют Uj J , I,, и фазовый сдвиг Ч,.

Согласно эквивалентной схеме на фиг, А система уравнений для контуров будет иметь следующий вид:

1„(К,+К,+)+15,,

I,o v+Ij/Z +R,+Zy-jXo) + I,,) 0; (2) (Z,)+ Ij/Ro+Z +Rj+Z -t- r+Zp) Е. 5

I,,(R,+R,+Z)+Ij,, I,,Z,+I,,(Z,+R,+2;-jXo)+l5,Z,0;

-I,,,;,+I(RO-«-Z,,-I-Z) E.

1; (3)

Решая системы уравнений (I), (2) и (3) и взяв отношение напряжений небалансов к токам в диагонали питания в каждом из тактов измерения получим:

10

15

Изобретение служит для повьше- ния точности определения параметров комплексных двухполюсников. Устройство, реализующее способ, содержит пятиплечий мост, включающий образцовые двухполюсники 1, 3, 5 и 7, вольтметр 4, генератор 8 синусоидального напряжения . Дпя осуществления процесса измерения параметров комплексных двухполюсников за три такта в устройство введены переключатели (П) 2.1, 2.2 и 2.3, амперметр 9, преобразователь 10 ток - напряжение и фазометр П. В процессе каждого такта измеряют напряжение в измерительной диагонали, ток в диагонали питания с помощью вольтметра 4 и амперметра 3 и фазовый сдвиг между ними с помощью преобразователя 10 ток - напряжение и фазометра 1J. При этом в первом такте измерения все П 2.1 - 2.3 находятся в положении I, во втором такте П 2.1 и 2.2 - в положении II, а П 2.3 - в положении I. В третьем такте все П 2.1 - 2.3 находятся в положении II. Использование предпожения исключает погрешности конечного значения входного импеданса вольтметра 4 при работе с выcoкooмны ш датчиками. Кроме того, исключается погрешность от ненулевого значения внутреннего сопротивления генератора гармонического сигнала при работе с низкоомными датчиками. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. U (Л 00 -ч1 сд

Uc,J, R«.Ri-Ri(Z,)

..- « ...-.-.

У11.1 rBjLlijei&illJ i., к СЗ)

1зо ,Z(Z +Ri+Z -jXo.) -

RO ()-RiZ

RoARi-J i-oy- RjZ

ьГ ()) -

Отношения уравнений (4), (5) и (6) будут зависеть только от Z , при постоянстве параметров образцо- ыу. элементов:

E 5i:§JJ|j Jb2- -R7()-JX

о B iiSj- ijClL - Ro(,

-Rjjjgjs+Rji-jXoRo

R« Ra-JJQ- RTi

A;

(7) (8)

с. (9)

Для получения частотно-независимого результата измерения по каждому из измеряемых параметров выбираем R,R, а Rj выражаем через Х и подставляем для Z, тогда: Z, . R7H-75

(10)

R R7

Kj К( Kj /К}Kf.

.EL..

||--2| cos,,.,

К

- к.кг

к

..l.

к,л Ki. .

К. .

К1

2 i

-ACOS Vi+ J Кз1

К,; (4)

(6)

х

. G + В -°Г- Ё

(11)

0

5

0

Для того, чтобы получить информацию о параметрах х например, для последовательной схемы замещения двухполюсника с емкостным характе-, ром сопротивления, вьщелим вещественные и мнимые части напряжений небалансов относительно токов:

А - 1д . 2Si i±Jlill. iO. - KI K,(co8if,+jsintf,)

В «

Кл Кз

Eil 2S ii:4--S- KjCcosVj+jsinifJ

с 5i « Бli 2§ Iii5i lfil

- к, K,(cos(+jsin4 j)

(12) (13)

(U)

Подставив в уравнения (10) и (И) выражения (12), (13) и (14), выраженные через К-,, Kj, Kj с учетом фазовых соотношений, получим:

(15)

- к.кг

к

..l.

.l.

.

J

(16)

V, M j- ,, К,

К, к, 111.

Э

Uc,«J,

Ч к,

т )

Ki

(к /Кр - 2 1-0034-5+

(|jcos.,.|lcos.,)-|l.|lcos(-,) параллельной схемы замещения двухполюсника запишем следующие отношения :

I .. (.8)

где R, X, g, Ь - измеряемые параметры комплексного сопротивления и проводимости соответственно, .откуда

1

Y7 Ё;

-SiRI g+jb

(19)

Ка

Ki Кг

Д

К,

li--Eti7 - - - i .. .

. .....„....-........,

г51.

к;

/IV7. Kl , V Кт Ki .ч л,

. ..11

Ед + I- + 2 -- --соз(О)-Ф) К, KV Kj- К,

При индуктивном характере сопротивления двухполюсника уравнения .преобразований будут аналогичными с той лишь разницей, что в уравнениях (16) и (17) знак V перед дробью будет отсутствовать, а в уравнении (22) присутствовать.

Уравнения для измерений параметров комплексных двухполюсников (15) (16), (17), (21) и (22) не зависят от ненулевых значений Z , Z,,, Z д и конечного значения Z, а также от нестабильности амплитуды и частоты питания измерительной цепи, что создает возможность повышения точности измерения в диапазоне частот как при работе с высокоомными, так и с низ- коомными датчиками.

На основе предлагаемого способа определения параметров и устройства для его осуществления могут быть разработаны высокоточные измерительные

Так как X -, то уравнение (16) шО

можно переписать в следующем виде:

(17) .

где R, gj - -сопротивление и проводимость четвертого образцового двухполюсника;

Jbo g+jbo

(20)

где Хд, b j, - сопротивление и проводимость второго образ- цового двухполюсника. Запишем уравнения преобразователей для параметров комплексной проводимости исследуемого двухполюсника:

Д

К,

.li

..-......

(2)

к;

л,

(22)

устройства для систем контроля и измерения физических величин с помо- лп щью параметрических датчиков.

Формула изобретения

напряжения небаланса, тока в диаго вали питания и фазовый сдвиг напряжения небаланса относительно тока после взаимной коммутации смежных разнородных образцовых дЪухполюсни- ков, измеряют действующее значение напряжения небаланса, тока в диагонали питания и фазовый сдвиг напряжения небаланса относительно тока

после подключения однородного образцового двухполюсника последовательно к неоднородному образцовому двухполюснику в ветвь, не содержащую исследуемого двухполюсника, а изме- ряемые параметры последовательной схемы замещения двухполюсника определяют по следующим формулам:

М X

И/ г

Мг N

где знак для индуктивного, а знак - для емкостного характера сопротивления исследуемого двухполюсника, а параллельной схемы заме щения двухполюсника по формулам

g. - М. Ь . Ш. gi Nj bo N5

где знак - для индуктивного, а

знак + для емкостного характера сопротивления исследуемого двухполюсника

.1x4KtК /V

где М, + -- --cos(ic-V ) R.JКз К.З

.Ki К, .

-(--cosvi - --cosvj),

Kj о К,

N, - 2 ,, 1, KSКз

.,. fK./ч

К к7 ,

-(--COSV+ --COSV,), ,5 Kj

N, |i--2|icosv 1,

7

%тiC I.К1 , n « .

кГ 2 ) к .. к --i- 1, Ьо

K,H.f.;

З

, V

де R, X, g, b - измеряемые парамет-

ры комплексного со противления и проводимости соответственно;

-

0

5

0

5

с, of, , Ue,dj

Rj, gj - сопротивление и

проводимость четвертого образцового двухполюсника соответственно;

0 Ьр - сопротивление и проводимость второго образцового двухполюсника соответственно;

О

СзУ, 31

Is. Iso.

- действующие значения напряжений небалансов и токов в диагонали питания в 1-ом, 2-ом и 3-ем тактах измерения соответст - венно;

Ч 1 Фззовые сдвиги напряжений и с, d, ,

отноJ

, Csrfj

сительно токов I 1з„ 1,, в 1-ом, 2-ом и 3-ем тактах измерения соответственно .

,Q

35

.л.

40

45

50

55

. 2

Фие. ff

переключателя соединен с вторым зажимом второго образцового двухполюсника и непосредственно вторым контактом первого и первым контактом третьего переключателей, второй зажим генератора синусоидального напряжения через последовательно соединенные амперметр, преобразователь ток напряжение и второй контакт третьего переключателя соединен с первым .зажимом второго образцового двухполюсника, а выход преобразователя ток - напряжение соединен с вторым входом фазометра.

Фиг, 3

- з;П/5

73 / V