Квазиуравновешенный мост для измерения параметров четырехэлементных RLC-двухполюсников Советский патент 1988 года по МПК G01R17/10 

4;:

со ел

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения электрических параметров электроакустических преобразователей, струнных и накладных электромагнитных датчиков, магнитострикционных преобразователей и др.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения раздельного измерения параметров четырехэлементных двухполюсников , содержащих последовательный или параллельный RLC-контур и включенный соответственно параллель но или последовательно обособленный элемент.

На чертеже приведена функциональная схема квазиуравновешенного моста для измерения параметров четырехэле- ментного двухполюсника, состоящего, например, из последовательно соединенных резистора и параллельно RLC- контура.

Мост содержит источник 1 частотно- модулированного сигнала, образцовый резистор 2, операционные усилители 3 и 4, исследуемый двухполюсник 5, состоящий из обособленного элемента 6, в данном случае резистора, резистора 7 , конденсатора 8, катушки 9 индуктивности, сумматоры 10-12 напряжения, фазочувствительные выпрямители 13-15, выпрямители 16 и 17, управляемые делители 18-20 напряжения, интегрирующий 21 и дифференцирующий 22 усилители, делители 23 и 24 напряжения, переключатель 25 и амплитудные детекторы 26 и 27. Источник 1 частотно-модулированного сигнала через управляемые делители 19 и 20 напряжения соединен соответственно с сумматорами 11 и 12 напряжения, а через образцовый резистор 2 и управляемый делитель 18 - соответственно с операционными усилителями 3 и 4, выходы которых соединены с входами сумматора 10 напряжения. В цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 3 включены зажимы для подклБочения исследуемого двухполюсника 5. Выход сумматора 10 через интегрирующий 21 и дифференцирующий 22 усилители соединен с переключателем 25, первый и второй выходы которого соединены со ответственно с входом сумматора 12 и одним из входов фазочувствительного выпрямнте.ли 14, второй вход которого

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

соединен с входом выпрямителя 17 и выходом сумматора 12. Выходы фазочувствительного выпрямителя 14 и выпря- мителя 17 через делитель 24 напряжения и амплитудный детектор 26 соединены с управляющим входом управляе- МОго делителя 20. Кроме того, выход сумматора 10 соединен с входом сумматора 11, выпрямителя 16 и первыми входами фазочувствительных выпрямителей 13 и 15, а вторые входы последних соединены соответственно с выходом сумматора 11 и источника 1 частотно-модулированного сигнала. Управляющий вход управляемого делителя 19 соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 13, а управляемого делителя 18 через амплитудньй детектор 27 соединен с выходом делителя 23 напряжения, входы которого соединены с выходами фазочувствительного выпрямителя 15 и выпрямителя 16.

Квазиуравновешенный мост работает следующим образом.

Измерительная цепь приводится в первое состояние квазиравновесия путем изменения коэффициента передачи управляемого делителя 18 при помощи амплитудного детектора 27. Указанное состояние квазиравновесия наступает при достижении частотной независимости напряжения на выходе делителя 23 напряжения. В этом состоянии по коэффициенту передачи управляемого делителя 18 отсчитывают сопротивление резистора 6.

Последующие состояния квазиравновесия взаимно независимы. Сопротивление резистора 7 отсчитьшается по коэффициенту передачи управляемого делителя 19 во втором состоянии квазиравновесия, которое достигается путем изменения коэффициента передачи этого делителя при помощи фазочувствительного выпрямителя 13 до получения квадратуры выходных сигналов сумматоров 10-и 11.

Третье и четвертое состояния квазиравновесия определяются по частотной независимости выходного сигнала делителя 24 напряжения, которое достигается при помощи амплитудного детектора 26 путем изменения коэффициента передачи управляемого делителя 20, При этом последовательность измерения реактивных элементов 8 и 9 зависит от положения переключателя 23. В указанном положении переключателя измеряется значение емкости конденсатора 8. В противоположном положении по значению того же коэффициента передачи управляемого делителя 20 отсчитывается значение индуктивности катушки 9.

Рассмотрим работу устройства во всех состояниях квазиравновесия. При

что соответствует выражению вещественной части отношения двух комплексных напряжений. Амплитудный детектор 27 вьщеляет огибающую выходного сигнала делителя 23 и изменяет коэффициент передачи управляемого делителя 18 напряжения до выполнения условия (2). В этом состоянии по значению ко

Изобретение может быть использовано для измерения электрических параметров электроакустических преобразователей. Цель изобретения расширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит источник 1 частотно-модулированного сигнала, операционный усилитель 3, фазочувствительный выпрямитель 13, управляемые делители 18 и 19 напряжения, интегрирующий усилитель 21 и амплитудный детектор 26. Введение операционного усилителя 4, сумматоров 10-12 напряжения, фазочувствитель- ных выпрямителей 14 и 15, выпрямителей 16 и 17, управляемого делителя 20 напряжения, дифференцирукще- го усилителя 22, делителей 23 и 24 напряжения, переключателя 25 и амплитудного детектора 27 обеспечивает раздельное измерение четырехэле- ментных двухполюсников. 1 ил. с S (Л

считывают сопротивление резистора 6

Rg Кг, (5

После достижения первого квазирав

этом следует отметить, что при актив- д эффициента передачи делителя 18 от- ном характере обособленного элемента 6 операционный усилитель 4 является неинвертирующим усилителем. Для простоты считают его повторителем.

. Тогда напряжение на выходе сумматора 10 описьшается выражением

г Кл . OJ R Lo

U.O и, К,г - - 3 R(.,CgL,4-jc04

где

15 новесия (1) примет вид

,(1)

п - т т . 9

R7(1-ic)CsL9)+j JLg

(6

К

R

г

1&

Rfi, R

выходные напряжения источника 1 частотно-модулированного сигнала, коэффициент передачи управляемого делителя 18;

20

25

Тогда выходное напряжение суммато ра 1 1

и + Ki

и.

Ui

резисторов

С

Lg

СО При

l

RZ напряжений

сопротивление

2, 6 и 7;

емкость конденсатора

8J

индуктивность катушки круговая частота, выполнении

9,условия к11

30

вещественная U1 tJTo частоты:

W,

часть отношения

не зависит от

35

-19 - U1 -,

(l-()+jb3Lq ()

R7(1-c«52CgLg)+jcOL9

где - коэффициент передачи управляемого делителя 19 на пряжения .

Фазочувствительньй детектор выделяет вещественную часть напряжения Ui{ по отношению к напряжению :

и,з и (К ,9-R )(8)

Своим выходным сигналом детектор изменяет коэффициент передачи управляемого делителя 19 до выполнения условия

(j(j) -

Выделение сигнала, пропорционального (jM)3, осуществляет часть схемы, состоящая, из фазочувствитель- ного выпрямителя 15, выпрямителя 16 и делителя 23 напряжения. При этом выходной сигнал фазочувствительного выпрямителя 15

Ui . cosfio Re( ) ,(3)

где fio сдвиг фаз между напряжениями U-i и U(j ;

Re( ) - вещественная часть напряжения по отношению к U. С учетом (3) выходной сигнал делителя 23 напряжения описывается выражением

,т U 5 Re( ) иТГ U2,

считывают сопротивление резистора 6

Rg Кг, (5)

После достижения первого квазиравэффициента передачи делителя 18 от-

новесия (1) примет вид

п - т т . 9

R7(1-ic)CsL9)+j JLg

(6)

Тогда выходное напряжение сумматора 1 1

25

и + Ki

и.

Ui

30

35

2)

-19 - U1 -,v

(l-()+jb3Lq ()

R7(1-c«52CgLg)+jcOL9

где - коэффициент передачи управляемого делителя 19 напряжения .

Фазочувствительньй детектор выделяет вещественную часть напряжения Ui{ по отношению к напряжению :

и,з и (К ,9-R )(8)

Своим выходным сигналом детектор изменяет коэффициент передачи управляемого делителя 19 до выполнения условия

К

19

Щ

(9)

что соответствует второму состоянию квазиравновесия. При этом по значению коэффициента передачи делителя 19 отсчитывают сопротивление резистора 7.

Третье состояние квазиравновесия достигается при указанном положении переключателя 25. При этом выходное напряжение сумматора 12 описывается выражением

11,2 U22 + U20 (Q)

K2oRy+oЗ RyL9(K2oCь- g)+.cJL9Kгo R7(1-o32C«L9)+jcOLg

и,

55

где U22 - выходное напряжение дифференцирующего усилителя 22J - постоянная времени .дифференцирования;

выходное напряжение управляемого теля 20;

коэффициент переда- g чи делителя 20. условия

С

Й. Кго

(11)

(10) принимает вид K2o((.L9)

R7(())+joL9

(12)

Выходное напряжение интегрирующего усилителя 21

1

и,

Md,

1

R7I1-i CjL9)+juJLg

где 2 - постоянная времени интегрирования. Вещественная часть отношения двух

нагфяжений W, -г- с учетом (12) Uzf .-.

(jW)3

Као Cgf L9

(14)

не зависит от частоты,«что соответствует третьему сострянию квазиравновесия.

Напряжение, пропорциональное значению RerW3(ja))J , вьщеляет часть схе мы, состоящая из выпрямителя 17, фазочувствительного выпрямителя 14 и делителя 24 напряжения. Ее принцип действия аналогичен описанному для первого состояния квазиравновесия:

и , /щч . иь;

U24 где

- сдвиг фаз между напряжениями. U-iz и Uz . Амплитудный детектор 26 изменяет .коэффициент передачи управляемого делителя 20 напряжения до получения частотной независимости напряжения Цпл, что соответствует выполнению условия (11). При этом по значению коэффициента передачи управляемого делителя 20 отсчитывают емкость конденсатора 8 согласно выражения (11). Перевод переключателя в п ротиво- положное указанному положение позволяет измерить значение индуктивности катушки 9 в момент четвертого квазиравновесия. В этом случае выход

- g

14049576

операционного усилителя 3 соединен с входом сумматора 12 через интегрирующий усилитель 21, ас входом фазочувствительного выпрямителя 14 и выпрямителя 17 - через дифференцирующий усилитель 22,

Тогда выходное напряжение сумматора 12 описывается выражением

иг + иго

V

R((-L9)-cO R C L9K2Q+icf)LqK20 R7()+jcJL9

(16)

15 Выходное напряжение дифференцирующего усилителя 22

Uj;,Ui

.S2tJ

(17)

R(-(,L9}+j(SL()

С учетом (16) и (17) выходной сигнал делителя 24 напряжения описывается выражением

и

24

g 2 Кго-Ь9 -иЗ tgjLg Ггг

(18)

0

Как и в предьщущем случае, амплитудный детектор 26 огибающей изменяет коэффициент передачи управляемого делителя 20 напряжения до достижения 0 частотной независимости напряжения U24 Она достигается при выполнении условия четвертого квазиравновесия:

LQ ггКго- (19)

Выражения (5), (9), (11) и (19) показывают возможность отсчета naipa- метров исследуемого двухполюсника по значениям коэффициентов передачи управляемых делителей напряжения в четырех состояниях квазиравновесия мостовой измерительной цепи.

При индуктивном или; емкостном характере обособленного элемента 6 исследуемого двухполюсника операци- с онньш усилитель 4 выполняет соответственно дифференцирование или интегрирование выходного сигнала управляемого делителя 18 напряжения. При этом по значению коэффициента передачи-последнего отсчитывают соответственно значение индуктивности или емко сти обособленного элемента. В остальном работа устройства не изменяется.

Для измерения параметров двухполюсника, состоящего из соединенных параллельно обособленного элемента и последовательного RLC-контура, образцовый резистор 2 включают в об0

5

ратную связь, а исследуемый двухполюсник - в прямую связь операционного усилителя 3, При активном характере обособленного элемента операционный усилитель 4 является повторителем, при индуктивном - интегратором, а при емкостном - дифференциатором.

При этом значении обособленного элемента отсчитывают в первом состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи управляемого делителя 18, а значение активного сопротивления последовательного RLC- контура отсчитывают во втором состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи управляемого делителя 19. Порядок измерения реактивных параметров последовательного RLC-контура изменяется на обратный по сравнению с описанным для параллельного контура. Указанное положение переключателя 25 соответствует измерению индуктивного параметра контура, значение которого отсчитывается в третьем состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи управляемого делителя 20. Для измерения емкостного параметра контура переключатель 25 переводится в противоположное указанному положение Тогда в четвертом состоянии квазиравновесия по значению коэффициента передачи делителя 20 отсчитывают значение емкости контура. Работа самого устройства, при этом не изменяется.

Отличительной особенностью предлагаемого квазиуравновешенного моста является взаимная независимость контуров уравновешивания. Измерение параметров RLC-контура исследуемого двухполюсника возможно после достижения первого квазиравновесия. Однак производимые регулировки для достижения остальных состояний квазирав- новесия взаимно независимы и не нарушают условий первого квазиравновесия. Это позволяет производить измерение в широком диапазоне изменения параметров исследуемых двухполюсников, в том числе и в предельных случаях, когда указанные четырехэле- ментные RLC-двухполюсники преобразуются в трехэлементные двухполюсники различной конфигурации.

Таким образом обеспечение раздельного измерения параметров четырехэле ментнык RLC-двухполюсников, а также

трехэлементных двухполюсников произвольной конфигурации значительно расширяет функциональные возможности устройства по сравнению с известным.

Формула изобретения

Квазиуравновешенный мост для измерения параметров четырехэлементных RLC-двухполюсников, содержащий источник частотно-модулированного сигнала, первый операционный усилитель, 5 образцовый резистор,первый и второй управляемые делители напряжения, интегрирующий усилитель, первый фазо- чувствительный выпрямитель, первый амплитудный детектор, первый и второй зажимы для подключения исследуемого двухполюсника, первый из которых соединен с входом первого операционного усилителя, а выход источника частотно-модулированного сигнала соединен с первым входом первого фазочувствительного выпрямителя и входом первого управляемого делители напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом первого амплитудного детектора, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены второй операционньш усилитель, второй амплитудный детектор, третий управляемый делитель напряжения, дифференцирующий усилитель, второй и третий фазочувствительные выпрямители, первый и второй выпрямители, первый и второй делители напря0

5

0

5

жения, первый, второй и третий сумматоры напряжения и переключатель, причем источник частотно-модулированного сигнала через образцовьш резистор соединен с входом первого операционного усилителя, а через- второй и третий управляемые делители напряжения - соответственно с входом второго операционного усилителя и первым входом третьего сумматора напряжения, при этом второй зажим для подключения исследуемого двухполюсника соединен с выходом первого операционного усилителя, входы первого сумматора напряжения соединены соответственно с выходами операционных усилителей, а его выход соединен с входом первого выпрямителя, вторым входом первого и первым входом третьего фазочувстви- тельных выпрямителей и вторым входом

третьегсг сумматора напряжения, а также с входами интегрирующего и дифференцирующего усилителей, причем выходы последних соединены с входами переключателя, выходы первого выпрямителя и первого фазочувствительНого выпрямителя через первый делитель напряжения и второй амплитудный детектор соединены с управлякядим входом второго управляемого делителя напряжения, выход третьего сумматора напряжения соединен с вторым входом третьего фазочувствительного выпрямителя, а выход последнего соединен с управляющим входом третьего управ

ляемого делителя напряжения, при этом входы второго сумматора напряжения соединены с выходом первого управляемого делителя напряжения и первым выходом переключателя соответственно, а его выход соединен с входом второго выпрямителя и первым входом второго фазочувствительного выпрямителя, второй вход которого соединен с вторым выходом переключателя, а выходы второго выпрямителя и второго фазочувствительного выпрямителя через второй делитель напряжения соединен с входом первого амплитудного де-. тектора.