Трансформаторный мост переменного тока для измерения параметров комплексных сопротивлений Советский патент 1989 года по МПК G01R17/12 

у

му 21 токовым зажимам для подключения объекта измерений, вторые выводы пер- Bf-ix основных обмоток 4 и 10 первого трансформатора 2 напряжения и компаратора 9 токов соединены меяоду собой. Первый вывод вторичной обмотки 8 второго трансформатора 6 напряжения подключен к точке соединения вто 1455324

I Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть Использовано при построении средств измерений, предназначенных для определения параметров комплексных сопротивлений преимущественно малых значений.

Цель изобретения - расширение диа1аэона измерений в сторону малых рого неподвижного контакта 36 перво- чедансов и повышение точности изме- го переключателя 22 и первого непод- 5ений этих величин за счет функцио- вижного контакта 33 второго переклю- 1альной перестройки элементов измери- чателя 23 с первым вьгоодом основной тельной цепи.образцовой меры 15, второй вывод коНа чертеже представлена структур- 15 торой подключен к подвижному контак- иая схема трансформаторного моста ту 29 третьего переключателя 24, а ijiepeMeHHoro тока. I Трансформаторный мост содержит источник 1 питания, первый трансфорifjaTop 2 напряжения с первичной 3, ос-20 повторителя 14 напряжения подключен 1 овной.вторичной 4 и вспомогательной к подвижному контакту 28 второго переключателя 22, а выход - к первому выводу дополнительной образцовой меры 16, второй вывод которой подключен к подвижному контакту 30 четвертого переключателя 25, а его неподвижные контакты 35 и 39 подключены к ньгео- дам вспомогательной обмотки 12 компаратора 9 токов. Первый вывод вы-: ходной обмотки 13 компаратора 9 тоего неподвижные контакты 34 и 38 подключены к выводам второй основной обмотки 11 компараторов 9 токов. Вход

пторичной 5 обмотками, второй транс- сюрматор 6 напряжения с первичной 7 и вторичной 8 обмотками, компаратор 9 токов с первой 10 и второй 11 ос- 25 {ровными, вспомогательной 12 и выходной 13 обмотками, повторитель 14 напряжения, основную 15 и дополнительную 16 образцовые меры, объект Т7 из- Цбрений, основной 18 и вспомогатель30

1|ый 19 потенциальные и основной 20 и

вспомогательный 21 токовые зажимы для г|одключения объекта 17 измерений, г|ервый 22, второй 23, третий 24, чет- в|ертый 25 и пятый 26 переключатели с 1 одвижными 27-31, первыми неподвижны-, к|и 32-35 и вторыми неподвижными 36- контактами соответственно, допол- ф1тельный резистор 41, детектор 42 равновесия, резисторы 43-46, символи-,. г1ирующие паразитные сопротивления потенциальных и токовых участков ветви Объекта 17 измерений.

Первичная обмотка 3 трансформатора 2 напряжения через подвижный 27 и| первый неподвижный 32 контакты пер- Е)ого 22 переключателя совместно с пЬрвичной обмоткой 7 второго транс- 4|орматора 6 напряжения и вторым не- г|одвижным контактом 37 второго пере- к|лючателя 23 подключена к источнику 1 питания. Первые вьгеоды основной 4 и вспомогательной 5 вторичных обмоток г|ервого трансформатора 2 напряжения Подключены к основному 18 и вспомога- 1|ельному 19 потенциальным, а первые йыводы первой основной 10 и вспомога- т ельной 12 обмоток компаратора 9 то45

50

ков подключен к подвижному контакту 31 пятого переключателя 26 и первому выводу дополнительного резистора 41 второй вывод которого совместно с неподвижным контактом 40 пятого переключателя 26 подключен к входу детектора 42.равновесия.Вторые вьгеоды первичных обмоток 3 и 7 первого 2 и вторичных обмоток 5 и 8 второго 6 трансформаторов напряжения соответственно, а также обмоток 11 и 13 компараторов 9 токов совместно с вторым неподвижным контактом 38 третьего переключателя 24 и общим проводом х источника 1 питания и детектора 43 равновесия подключены к общей шине моста.

Устройство работает следующим образом.

После подключения к зажимам 18-21 мост а объекта 17 измерений осуществляется выбор диапазона измерений, в процессе которого при помощи схемо- собирающих переключателей 22-26 устанавливается соответствующая конфигурация измерительной цепи. При этом если импеданс объекта 17 измерений Zj npeBbraaeT суммарное паразитное соKtOB - к основному 20 и вспомогательному 21 токовым зажимам для подключения объекта измерений, вторые выводы пер- Bf-ix основных обмоток 4 и 10 первого трансформатора 2 напряжения и компаратора 9 токов соединены меяоду собой. Первый вывод вторичной обмотки 8 второго трансформатора 6 напряжения подключен к точке соединения втоторой подключен к подвижному контак- ту 29 третьего переключателя 24, а

повторителя 14 напряжения подключен к подвижному контакту 28 второго переключателя 22, а выход - к первому выводу дополнительной образцовой меры 16, второй вывод которой подключен к подвижному контакту 30 четвертого переключателя 25, а его неподвижные контакты 35 и 39 подключены к ньгео- дам вспомогательной обмотки 12 компаратора 9 токов. Первый вывод вы-: ходной обмотки 13 компаратора 9 тоего неподвижные контакты 34 и 38 подключены к выводам второй основной обмотки 11 компараторов 9 токов. Вход

,.

5

0

ков подключен к подвижному контакту 31 пятого переключателя 26 и первому выводу дополнительного резистора 41 второй вывод которого совместно с неподвижным контактом 40 пятого переключателя 26 подключен к входу детектора 42.равновесия.Вторые вьгеоды первичных обмоток 3 и 7 первого 2 и вторичных обмоток 5 и 8 второго 6 трансформаторов напряжения соответственно, а также обмоток 11 и 13 компараторов 9 токов совместно с вторым неподвижным контактом 38 третьего переключателя 24 и общим проводом х источника 1 питания и детектора 43 равновесия подключены к общей шине моста.

Устройство работает следующим образом.

После подключения к зажимам 18-21 мост а объекта 17 измерений осуществляется выбор диапазона измерений, в процессе которого при помощи схемо- собирающих переключателей 22-26 устанавливается соответствующая конфигурация измерительной цепи. При этом если импеданс объекта 17 измерений Zj npeBbraaeT суммарное паразитное сопротивление Z

Лор

ветви объекта измерений, то в мосте устанавливается такая конфигурация измерительной цепи, при которой уравновешивание ее осуществляется по-схеме сравнения токов или точнее магнитных потоков в компараторе 9 J-OKOB - Такой конфигурации измерительной цепи соответ-; ствует следующее состояние схемосо- биракяцих переключателей; подйижный контакт;27 первого переключателя 22 соединён с неподвижным контактом 32,; подвижньй контакт 28 второго переключателя 23 т- с неподвижным контактом 33, подвижный контакт 29 третьего переключателя 24 - с неподвижным контактом 34, подвижный контакт 30 четвертого переключателя 25 - с неподвижным контактом 39, а подвижный контакт 31 пятого переключателя 26 - с неподвижньм контактом 40. В ;Этом случае ветвь объекта измерений по- луча.ет питание от первого трансформатора 2 напряжения, а ветвь сравнения - от второго трансформатора 6 напряжения, регулировкой числа витков вторичной обмотки 8 которого осуществляется подекадное уравновешивание моста. При помощи повторителя 14 напряжения и дополнительной образцовой меры 16 в момент равновесия в ветвь объекта 17 измерений вводятся ток компенсации 1ц, равньш по амплитуде, но противоположный по на

«I

10

обмотки 8 второго трансформатора 6 р{апряжения соответственно; число витков вторичных основных обмоток 10 и 11 компаратора,9 токов; сумма сопротивлений резисторов 43 и 44.

ИзД1) видно, что при Z Z, j погрешность измерения

I. I

пар

п -If- (ix IK)

(2)

15 будет достаточно мала. Напротив, при эта погреошость заметно иса при измерение крайне затруднено

,

кажает результат измерения,

2х

из-за того, что ток в ве-Гви объекта

20 измерений определяется не измеряемым и педансом, а паразитным сопротивлением Znap этой ветви.

Для устранения недостатка при переходе к измерениям достаточно

25 малых имкедансов в мосте осуществляется функциональная перестройка измерительной цепи в такую конфигурацию, при которой уравновешивание проводится по схеме сравнения напря30 жений. Такая конфигурация образуется .благодаря следующему состоянию переключателей: подвижный контакт 27 первого переключателя 22 соединен с неправлению току 1, , протекающему через 35 °Движным контактом 36, подвижный кон- объект измерений, в результате чего такт 28 второго переключателя 23 - основные обмотки 4 и 10 трансформато- с неподвижным контактом 37, подвижный контакт 29 третьего переключателя 24 - с неподвижным контактом 38, 40 подвижный контакт 30 четвертого переключателя 25 - с неподвижным контактом 35, а подвижный контакт 31 пятого переключателя 26 отсоединен от неподвижного контакта 40 этого пере- 45 ключателя.

В этом случае происходит сравнение

ров 2 напряжения и компаратора 9 токов, соответственно обесточиваются, что .эквивалентно устранению погрешности от влияния паразитных сопротивлений ветви объекта измерений. Состояние равновесия моста фиксируется по показаниям детектора 42 равновесия. Благодаря низкому, входному сопротивлению последнего, компаратор 9 токов находится в режиме короткого замыкания, что обеспечивает линеаризацию линий уравновешивания.

Уравнение равновесия рассматриваемой кофигурации измерительной цепи имеет вид:

. S « -ir «-M )

где т,, т - число витков оеновной

вторичной обмотки 4 первого трансформатора 2 напряжения и вторичной

.двух измерительных напряжений: напряжения и,, действующего на выводах вторичной основной обмотки 4 пер-

50 вого трансформатора 2 напряжения, и напряжения U, действующего на зажимах объекта 17 измерений. Напряжение и возникает от протекания через объект 17 измерений тока 1, созда-

gg ваемого при помощи повторителя 14. напряжения и дополнительной образцовой меры 16; Повторитель 14 напряжения в этом случае получает питание непосредственно от источника 1 пита

«I

обмотки 8 второго трансформатора 6 р{апряжения соответственно; число витков вторичных основных обмоток 10 и 11 компаратора,9 токов; сумма сопротивлений резисторов 43 и 44.

ИзД1) видно, что при Z Z, j погрешность измерения

I. I

пар

п -If- (ix IK)

(2)

15 будет достаточно мала. Напротив, при эта погреошость заметно иса при измерение крайне затруднено

,

кажает результат измерения,

2х

из-за того, что ток в ве-Гви объекта

20 измерений определяется не измеряемым и педансом, а паразитным сопротивлением Znap этой ветви.

Для устранения недостатка при переходе к измерениям достаточно

25 малых имкедансов в мосте осуществляется функциональная перестройка измерительной цепи в такую конфигурацию, при которой уравновешивание проводится по схеме сравнения напря30 жений. Такая конфигурация образуется .благодаря следующему состоянию переключателей: подвижный контакт 27 перво.двух измерительных напряжений: напряжения и,, действующего на выводах вторичной основной обмотки 4 пер-

50 вого трансформатора 2 напряжения, и напряжения U, действующего на зажимах объекта 17 измерений. Напряжение и возникает от протекания через объект 17 измерений тока 1, созда-

gg ваемого при помощи повторителя 14. напряжения и дополнительной образцовой меры 16; Повторитель 14 напряжения в этом случае получает питание непосредственно от источника 1 пита ия через контакты 28 и 37 второго гереключателя 23, а первый трансфор- t- arop 2 напряжения - от второго транс форматора 6 напряжения, к вторичной с обмотке которого через контакты 23 и 36 первого переключателя 22 подключается первична я 3 обмотка первого трансформатора 2 напряжения. Разность Л. и между напряжениями Um, и Ij, действукяцая в точках 47 и 48 из- epитeльнoй цепи, воспринимается об- oткoй 10 компаратора 9 токов, который в этом случае благодаря отключенному дополнительному резистору 44 работает в к&честве трансформатора напряжения. В момент {равновесия измерительной цепи йр, в результа-- те чего ток через вторичную основную

Отсюда

1

„ f Zпор ч к ™ -1z

m, ШогК

(7)

Из (7) следует, что источником погрешности в данном случае является паразитное сопротивление Zjjap токо- вой( ветви объекта измерений, а значе- 10 ние этой погрешности

«:, %- (8)

о зависит не от величины измеряемого

импеданса Z , а от значения импеданса 15 Z, дополнительной образцовой меры 16. Так как значение Z может быть выбрано относительно большим легко вьщержать неравенство Zn S

Z

о пар при котором погрешность в|, может быть умень- ормотку 4 первого трансформатора 2 на-20 шена до приемлемого значения. В силу

пряжения не течет, паразитное сопротивление 43 влияния на точность измерений не оказывает. По этой же причи- Н|е не оказывает влияния и сопротивле- н|не 44.

I В общем виде уравнение равновесия р|ля данной конфигурации измерительной имеет вид:

постоянства значений Z „ и Z S

пар

25

погрешность On также становится постоянной и независимой от измеряемого импеданса величиной, в связи с чем

рений.

Из (7) следует также и то обстоятельство, что в данной конфигурации измерительной цепи протяженность диа- 30 пазона измерений малых величин не ограничена значением измеряемого импеданса настолько, насколько это позволяет чувствительность детектора равновесия и допустимый энергетический уро- 35 вень тока, протекающего через объект измерений, или напряжения, возникающего на его зажимах в процессе измерения. Практически диапазон измерения малых импедансов в данной измеритель- АО ной цепи по сравнению с пр9ТотипЪм может быть расширен на 3-5 порядков. Таким образом, данное,, техническое решение по сравнению с ПТУОТОТИПОМ позволяет существенно расширить диа- 45 пазон измерений комплексных сопротивлений в сторону малых импедансов и повысить при этом точность измерений за счет введения в трансформаторный

и

т.

- Z,

(3)

Очевидно;, что

и.

Ш( Из. Oi

(4)

il

Uk-K

(5)

U Ji

напряжение источника 1 питания ;

число витков первичных обмоток 3 и 7 первого 2 и второго 6 трансформаторов напряжения соответственно; импеданс дополнительной образцовой меры 15; - коэффициент передачи напряжения повторителя 14 напряжения;

пар суммарное паразитное сопротивление резисторов 46.и 47 ветви образцового тока.

После подстановки (4) и (5) в (3) учают

Z л -

К

ScSiS

р,ог

Zg+Znep

(6)

1

„ f Zпор ч к ™ -1z

m, ШогК

(7)

Из (7) следует, что источником погрешности в данном случае является паразитное сопротивление Zjjap токо- вой( ветви объекта измерений, а значе- ние этой погрешности

«:, %- (8)

о зависит не от величины измеряемого

импеданса Z , а от значения импеданса Z, дополнительной образцовой меры 16. Так как значение Z может быть выбрано относительно большим легко вьщержать неравенство Zn S

Z

о пар при котором погрешность в|, может быть умень- шена до приемлемого значения. В силу

постоянства значений Z „ и Z S

пар

погрешность On также становится постоянной и независимой от измеряемого импеданса величиной, в связи с чем

рений.

Из (7) следует также и то обстоятельство, что в данной конфигурации измерительной цепи протяженность диа- 0 пазона измерений малых величин не ограничена значением измеряемого импеданса настолько, насколько это позволяет чувствительность детектора равновесия и допустимый энергетический уро- 5 вень тока, протекающего через объект измерений, или напряжения, возникающего на его зажимах в процессе измерения. Практически диапазон измерения малых импедансов в данной измеритель- О ной цепи по сравнению с пр9ТотипЪм может быть расширен на 3-5 порядков. Таким образом, данное,, техническое решение по сравнению с ПТУОТОТИПОМ позволяет существенно расширить диа- 5 пазон измерений комплексных сопротивлений в сторону малых импедансов и повысить при этом точность измерений за счет введения в трансформаторный

- мост переменногот тока второго плече0 вого трансформатора напряжения допол- ните11ьного резистора и пяти переключателей, при помощи которых осуществляется функциональная перестройка измерительной цепи и конфигурации, при

5 которой уравновешивание происходит в схеме сравнения токов, в конфигурацию, при которой происходит уравно- вешивание в схеме сравнения напряжений.

Формула изобретения Трансформаторный мост переменного тока для измерения параметров комплексных сопротивлений, содержащий источник питания, первый вывод которого соединен с общей шиной, основную и дополнительную о бр азцовые меры, первый трансформатор напряжения.

14553248

форматора напряжения непосредственно, а первый вывод первичной обмотки первого трансформатора напряжения через g подвижный и неподвижный контакты первого переключателя подключены к второму выводу источника питания, к которому также через подвижный и неподвижный контакты второго переключате- первьш вывод первичной обмотки кото- ю ля подключен вход повторителя напря- рого соединен с общей шиной, компара- жения, при этом вторые неподвижные

контакты первого и второго переключателей и первый вывод основной образцовой меры подключены к первому 15 выводу вторичной обмотки второго трансформатора напряжения, второй вывод которой и второй вьгаод первичной обмотки, а также второй неподвижный контакт третьего переключа- 20 теля подключены к общей шине моста, вторые выводы основной и дополнительной образцовых мер подключены соответственно к подвижньпч контактам третьего и четвертого переклю- 25 чателей, при этом второй неподвижный контакт третьего переключателя подключен к первому вьшоду второй ;основной обмотки компаратора токов, неподвижные контакты четвертого пе- 30 реключателя подсоединены соответственно к выводам вспомогательной обмотки компаратора токов, подвижньй контакт пятого переключателя и первый вывод режимного резистора подтор, токов, первые выводы основных обмоток которых подключены соответственно к основным потенциальному и токовому зажимам для подключения объекта измерения, а вторые выводы соединены между собой, первые выводы вспомогательных обмоток подключены соответственно к вспомогательным по- тенциальному и токовому зажимам для подключения объекта измерений, вто .рой вывод вспомогательной обмотки первого трансформатора напряжения и второй вывод второй основной обмотки компаратора токов подключены к общей шине моста, повторитель напряжения, выход которого подключен к дополнительной образцовой мере, детектор равновесия, первый вывод которого соединен с первым выводом выходной обмотки компараторов токов и с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений в сторо- ;ну малых импедансов и повьш1ения точности измерений этих величин, в него введены второй трансформатор напряжения, пять переключателей и дополнительный резистор, причем первый вы35 ключен к второму выводу выходной обмотки компаратора токов, а один из неподвижных контактов пятого гере- ключателя и второй вывод дополнитепь- ного резистора соединены с вторым

- t K.«bv. S V-WCM iriCnDi U IS I

вод первичной обмотки второго транс- о вьшодом детектора равновесия.

контакты первого и второго переключателей и первый вывод основной образцовой меры подключены к первому 15 выводу вторичной обмотки второго трансформатора напряжения, второй вывод которой и второй вьгаод первичной обмотки, а также второй неподвижный контакт третьего переключа- 0 теля подключены к общей шине моста, вторые выводы основной и дополнительной образцовых мер подключены соответственно к подвижньпч контактам третьего и четвертого переклю- 5 чателей, при этом второй неподвижный контакт третьего переключателя подключен к первому вьшоду второй ;основной обмотки компаратора токов, неподвижные контакты четвертого пе- 0 реключателя подсоединены соответственно к выводам вспомогательной обмотки компаратора токов, подвижньй контакт пятого переключателя и первый вывод режимного резистора под5 ключен к второму выводу выходной обмотки компаратора токов, а один из неподвижных контактов пятого гере- ключателя и второй вывод дополнитепь- ного резистора соединены с вторым

- t K.«bv. S V-WCM iriCnDi U IS I

о вьшодом детектора равновесия.

Изобретение относится к электрс измерительной технике и может быть использовано в устройствах для определения параметров комплексных сопротивлений преимущественно малых значений. Цель изобретения - расширение диапазона измерений в сторону малых импедансов и повышение точности измерений этих величин - достигается путем функциональной перестройки элементов измерительной цепи. Для этого в трансформаторный мост переменного тока дополнительно введены второй трансформатор 6 напря е - ния с обмотками 7 и 8 и пять переключателей 22-26, при помощи которьос осуществляется функциональная перестройка измерительной цепи и конфигурации, и происходит уравновешивание в схеме сравнения токов и напряжений. 1 ил. с р (Л С