Автоматический мост переменного тока Советский патент 1989 года по МПК G01R17/12 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных сопротивлений.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повьш1е- ние точности измерения за счет регулировки сдвига фаз между напряжениями первого и второго греобразовате- лей постоянного напряжения в переменное .

На фиг.1 представлена структурная схема автоматического моста переменного тока; на фиг.2 - структурная схема детектора равновесия ;на фиг. 3 - - Временные диаграммы работы тактового генератора, ключевых преобразователей, ограничителя и избирательного усилителя; на фиг.4 - фазовые диаграммы напряжений и токов преобразователей и избирательного усилителя.

Устройство содержит генератор 1 опорного напряжения, выход которого через первый ключевой преобразователь 2 постоянного напряжения в переменное подключен к первому зажиму 3 для подключения объекта измерения, и через последовательно соединенные делитель 4 напряжения, второй преобразователь 5 постоянного напряжения в переменное, образцовую меру 6 - к BTOpONfy зажиму 7 для подключения объекта измерения и входу 8 детектора 9 равновесия, первый вьсход 10 которого подключен к входу блока 11 автоматического уравновешивания, тактовый генератора 12, который выходом подключен к счетным входам первого и второго счетчиков 13 и 14 соответственно первые группы выходов которых подключены к управляющим входам соответственно первого и второго ключевых преобразователей 2 и 5 постоянного напряжения в переменное, выход переноса первого счетчика 13 подключен к входу записи второго счетчика 14, выходы первой и второй групп выходов которого подключены к информационным входам nepBOfi группы регистра 15, выходы разрядов которого подключены к входам разрядов второго счетчика 14 и к входам первой группы входов блока 11 автоматического уравновешивания, группа выходов которого подключена к управляющим входам делителя 4 напряжения, информационнь1м входам второй группы регистра 15 и к входам группы 16 входов детектора 9 равновесия, выходы группы 17 которого подключены к входам второй группы входов блока 11 автоматического уравновешивания, входы сброса первого и второго счетч1Жов 13 и 14 подключены соответственно к второму и третьему выходам 18 и 19 детектора У равновестия, к первому выходу 10 которого подключен вход записи регистра 1 5 .

Блок 11 автоматического урав)юве- шивания содержит микроЭВМ 20 и интерфейсный адлптер 21, причем микро- ЭВМ 20 соединена с входами и выходами блока 11 автоматического уравновешивания чероз интерфейсньм адаптер 21.

Детектор 9 равновесия (фиг.2) содержит последовательно соединенные избирателр ньп1 усичитель 22, амплитудный детектор 23 и аналого-ц1-г1)(

5

0

5

0

5

0

5

0

5

преобразователь 24, а также регистр 25 и посл- довательно соединенные ограничитель 26, компаратор 27 и элемент И 28, выход которого подключен к первому выходу 1 О детектора 9 равновесия, к входу 8 которого подключен вход избирательного усилителя 22, к выходу которого подключен вход ограничителя 26, входы регистра 25 являются входами группы регистров 15 входов детектора 9 равновесия, выходами группы 17 выходов которого являются разрядные вьгходы аналого-цифрового преобразователя 24. Выходы разрядов регистра 25 подключены: первого и второго разрядов - соответственно к второму и третьему выходам 18 и 19 детектора 9 равновесия, третьего и четвертого разрядов - к вторым входам соответственно, избирательного усилителя 22 и аналого-цифрового преобразователя 24, пятого разряда - к второму входу элемента И 28.

Устройство работает следующим образом.

В результате уравновешивания моста определяют модуль проводимости Y и фазовый угол Q объекта измерения Yy (,фиг. t ) , представляемого в виде Y Y) е На основании измеренных параметров т и Q, микроЭВМ 20 моста по заданной программе производит вычисление по известным зависимостям любую требуемую пару параметров комплексного сопротивления объекта измерения. Дня уравновешивания моста на объект измерения Y и образцовую меру Y, подаются квази- синусоидапьные напряжения, которые синтезируются ключевыми преобразователями 2 и 5 постоянного напряжения ь переменное соответственно .(фиг.36) Амплитуда этих напряжений определяется уровнем постоянного опорного напр;гжения, поступающего с генератора 1 на вход преобразователя 2 непосредственно, а на вход преобразователя 5 - через делиткль 4 напряжения. Управление ключами преобразователей 2 и 5 осуществляется с вьгходов старших К-разрядов 1-разрядных счетчиков 13 и 14 соответственно, К - число ступенек в периоде квазисину- соид1,1. Эти стар1;:ие К-разрядов орга- иизованы по схеме кольцевого счетчика. Мпадигие (N-K/-разрядов счетчиков

J и 14 выполнень; по схеме дво5

ичных счетчиков и спукат для делени чаЬтотьг импульсов тактового генератора 12 до значения Рр„б К (где F рд{- - рабочая частота моста).

Частота Р у импульсов тактового генератора 12, поступающих на счетные входы счетчиков 13 и 14 (фиг.За равна:

F

.LP«

S

где S - дискретность отсчета по

фазовому углу Q х,

тогда общее количество N разрядов счетчиков 13 и 14 определяется как

N К + log , . В результате приложения квазисинусоидального напряжения к объекту измерения Y и образцовой мере Y

равновесия io, причем

,, где и, и и

на вход 8 детектора 9 поступают точки i и i X ид,, а io напряжение преобразователен 2 и 5 соответственно. Эти токи вычитаются на входе избирательного усилителя 22 (фиг.2) детектора 9 равновесия. Для получения разности iц- io 0 регулируется амплитуда и фаза напряжения и на выходе преобразователя 5 постоянного напряжения в переменное. Амплитуда регулируется посредством изменения коэффициента деления делителя 4.напряжения, который в свою очередь определяется кодом, записьшае- мым во входной регистр делителя 4. Входы последнего подключены к выходам интерфейсного адаптера, что дает возможность управлят1т делителем 4 со стороны микроэвм 20, В качестве такого делителя может использоваться пре- цизионньй ЦА11 постоянного тока. Для регулирования фазы напряжение U-2 относительно и, в N-paзpядньпl регистр 15 записьшается определенный код. В момент прохождения импульса переноса из счетчика 13 на вход записи счетчика 14 код регистра записьшается в соответствующие разряды счетчика 14, в результате чего срабатывает определенная комбинация ключей преобразователя 5, На выходе которого устанавливается определенный уровень напряжения (фиг.Зд). В дальнейшем преобразователи 2 и 5 генерируют квазисинусоидальные Напряжения, сдвинутые по фазе на угол, пропорциональный

-

,

10

25

6

коду, таписанному в регистр 15. Таким образом, производится уравновешивание тока 1 по фазе с дискретностью, определяемого соотношение частот F pas ч f После уравновешивания моста код делителя 4 напряжения пропорционален модулю проводимости объекта Y, а код регистра 15 - фазовому углу объекта.

Процесс уравновешивания выполняется в следующем порядке.

Синхронизация р. всех узлов и управляющие воздействия осуществляе г 5 микроэвм 20, шины данных и синхронизации которой через соответствующие входы и выходы интерфейсного адаптера 21 соединены с входами узлов моста.

В начале уравновешивания в регистр 25 детектора 9 равновесия записы-, вается код, формирующий сигнал для закрьшания элемента И 28 (фиг.2), устанавливающий в избирательном усилителе 22 номинальное усиление и уровень логической единицы на выходе 18 детектора 9 равновесия. Этот уровень удерживает счетчик 13 в нуле и соответственно нулевое напряжение на выходе преобразователя 2 постоянного напряже 1ия. }5 делитель 4 напряжения

20

30

5

0

5

0

записывается код Р, , соответствующий минимальному коэффициенту деления. Затем производится измерение амплитуды W выходного сигнала избирательного усилителя 22, для чего запускается аналого-цийфовой прсобразова . ель 24 cooTBeTCTByvnmitM л-тгическим -уровнем напряжения, поступакшкм с выхода чет- вертогп разряда регистра 25. Запуск производится с микроэвм 20 путем записи сог тветствующей кодо,ой ком- бинапни в регистр 25. Измеренное значение W с выхода аналого-цифрового преобразователя 24 заносится в ОЗУ мшчроЭВМ 20. После выг о.чнения эт1С{ операций в третшЧ разряд ра 25 яаписьшлется код, устанавливающий в избирате;1ьном усилителе 22 максимальное усиление. На его выходе появится сигнал У, пропорциональный току (, (фиг.4), фаза которого Q относительно

напряжения U ся фазовым углом Q меры вым сдвигом

2 определяют- То и фазо5

,j , вносимым избирательным усилителем 22 (пример Q 0 представлен на диаграмме напряжений фиг.4). Вследствие большого усиления тока i выходной сигнал W., усилителя 22 близок к меандру, амплитуда кото

рого ограничивается ограничителем 26 (фиг.Зв). Макс11мальное усиление необходимо для получения максимальной крутизны фронтов, что дает возможность с большой точностью определить фазовый.угол QQ. Для этого код регистра 25 модифицируется так, чтобы в пятом разряде появилась логическая единица, которая открьшает по второму входу элемент И 28. В момент прохождения на выходе ограничителя 26 переднего фронта меандра срабатывает компаратор 27 и на выходе элемента И 28 (соответственно, и на выходе 10 детектора 9 равновесия) появляется положительный перепад напряжения. По фронту этого перепада производится запись кодовой комбинапли N, пропорциональный углу Q,о, с выходов счетчика 14 в регистр 15. Этот же перепад в микроЭВМ 20 вызывает подпрограмму занесения значения N,, в собственное ОЗУ, после выполнения которой микроэвм 20 записывает в дели- тель 4 напряжения код, устанавливающий нулевой коэффи1щент передачи последнего, что обеспечивает 0 О и ip 0. Дпя запуска преобразователя 2 снимается потенциал сброса из счетчика 13. В результате приложения к объекту измерения Y квазисинусоидального напряжения U возникший ток ветви i J вызьшает на выходе избирательного усилителя 22 сигнал W, (фиг.4), фазовый угол Q| которого относительно U определяется суммой фазового угла 0, объекта измерения и собственным вносимым фазовым сдвигом Qg .

Получение и запоминание цифрового отсчета N, значения угла Q (фиг.Зг) производится аналогично, как и угла Q, с выхода счетчика 14. Дпя этого счетчики 13 и 14 синхронизируются путем одновременного снятия потенциалов сброса на их соответствующих входах, для чего такой потенциал подается предварительно на вход счетчика 1 с выхода 19 детектора 9 равновесия. Синхронизацию счетчиков 13 и 14 осуществляет микроэвм 20 моди1)икапией кода регистра 25. На основании Q и Q определяется сдвиг фаз между

напряжениями U. и

I г

необходимый

для уравновеширанин токов i х i о по фазе. Из диаграммы (фиг.4) следует, что угол сдвига Q . между напряжениями U, и

1Ь

причем Q г q 0, где Q - фазовый угол образцовой меры Y,, . Дпя нашего примера Q. J, О, поэтому Q j. определяется только вносимым фазовым сдвигом избирательного усилителя:

0 - Q.HДля этого микроэвм 20 записывает по второй группе информационных входов в регистр 15 код N, который вычислен из соотношения:

гт - к

Л г - -2N.- N,- NJ;

15

25

N

Q,

0

5

0

5

0

где N ;, - кодовая комбинация, соответ- ствуилцая фазе Q 2t. Одновременно микроэвм снимает логический уровень сброса с входа сброса счетчика 14). путем записи соответствующей кодовой комбинации в регистр 25 детектора 9 равновесия. Первьш же импульс переноса из счетчика 13 установит требуемую для уравновешивания фазу напряжения и., в результате чего мост окажется уравновешенным по фазовому углу, и степень неравновесия W- определяется лишь разностью амплитуд (или модулей) токов i и i .

По величине фазового угла Q (со- отпетственно по значению отсчета N ) определяется вид реактивности объекта измерения. На фиг.4 (вектор iy) и фиг.Зе приведен пример измерения объекта с другим характером реактивности, чем в рассмотренном примере. Знак результата сравнения отсчета N, (или N ) с значением указьшает на характер реактивности измеряемого объекта (для второго

45

50

S

N I

4 м.

N

ц

Т

где --- II J . Эти опера1щи производит микроэвм 20,

Дпя уравновешивания моста по модулю токов микроэвм 20 производит в детекторе 9 равновесия следующие.действия. Устанавливает в избирательном усилителе 22 номинальное усиление и после установления сигнала на выходе последнего запускает аналого- цифровой преобразователь 24. Эти действия осуществляются путем записи соответственных кодовых комбинаций в регистр 25. Результат измерения амплитуды сигнааа нера вновесия W

с выхода амплитудного детектора 23 загГоминается в микроЭВМ 20. На основании полученных данных производится нычисление степени неравновесия ЛР „ по модулю: W

.Р,

затем уравновешивание моста изменением кода делителя 4 напряжения на величину йР. Остаточное неравновесие, вызванное погрешностями определения dP и Q , доуравновешивает- ся одним Из известных способов экстремального уравновешивания путем поочередных вариаций параметрами Р и Ы с последующим анализом знака приращения амплитуд - сигьгала неравновесия. Для этого избирательный усилитель 22 переводится в режим максимального усиления. Но полученным в результате уравновешивания значениям Р и N,, микроэвм 20 вычисляет параметры V и

О у. объекта

измерения;

Y Y Ч Р ,

о

«..

Таким образом, автоматический мос переменного тока по сравнению с известным обладает рас11;ир НЧ :мя функцио-- нальными возможностями, а именно он позволяет измерять параметры объекто измерений независимо от характера их реактивных составляющих. При этом не предъявляется никлккх требований к виду испол7 зуеМ1 1х образцовьк мер,

В данном устройстве достигается более высокая точность измерения, вследствие отсутствия второй ветви сравнения в измерительной цепи прибора, а .шлитудные и фа о1-ые norpeni- ности элементов которой непосредственно влияют на точность уравновешивания.

Формула изобретения

1, Автоматический мост переменного токч, содержащий источник опорного напряжения, выход через первьй ключевой преобразователь постоянного напряжения в переменное соединен с первым зажимом для подключения объекта иямерения и через последовательно соединенные делитель напряжения. Второй ключевой преобразова0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

тель постоянного напряжения в переменное , образцовую меру - с вторым зажимом для подключения объекта измерения и с входом детектора равновесия, блок автоматического уравнове- щивания, вход которого соединен с выходом детектора равновесия, тактовый генератор и первый счетчик, счетный вход которого соединен с выходом тактового генератора, причем выходы первой группы выходов первого счетчика соединены с управляющими входами первого ключевого преобразователя постоянного напряжения в переменное, группа выходов блока автоматического уравновеиишания соединена с управляющими входами делителя напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и повышения точности, в него введены второй счетчик и регистр, причем счетный вход второго счетчика соединен с выходом тактового генератора, вход записи - с выходом переноса первого счетчика, управляющие входы второго преобразователя постоянного напряжения в переменное , с выходами первой группы выходлз второго счетчика, р . первой и второй групп выходов которого соединены с первыми информационными входами регис11а, разрядну. е вогход .; которого соединены с входами дов второго счетчика и входами первой Группы входоп блока автома 1 ичег- кого уравновешивания, вь-ходов которого соединена с вторыми Ш1 ||Орма- ционными входами регистра и с входами детектора равновесия, выходы которого соединены с входами второй группы входов блока автоматического уравновешивания, входы сброса первого и второго счетчиков соединенг.; соответственно с вторым и третьим выходами детектора равновесия, периый выход которого соединен с входом записи регистра,

2, Мост по п.1, о т Л и ч а ю - щ и и с я тем, что детектор равновесия содержит H36npaTCJ bHb усилитель, амплитудньй детектор и аналого- цифровой преобразователь, соединенные последовательно регистр, последовательно соединенные ограничитель, компаратор и элемент И, выход которого является первым выходом детектора равновесия, вход детектора равновесия соединен с первым входом избиратель11

ного усилителя, выход которого соединен с входом ограничителя, выходы разрядов аналого-цифрового преобразователя являются выходами детектора равновесия, входы которого соединены с входами разрядов регистра, выходы первого и второго разрядов которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами детектора равновесия, третьего и четвертого разрядов - с вторыми входами соответственно избирательного усилителя и аналого- цифрового преобразователя, выход пятого разряда регистра соединен с вторым входом элемента И.

3. Мост по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что блок автомати

0512

ческого уравновешивания содержит последовательно соединенные микроЭВМ и интерфейсный адаптер, который соединен с соответствующими входами и выходами блока автоматического уравновешивания ,

4. Мост по п.1, отличающий с я тем, что в первом и втором счетчиках старшие разряды выполнены по схеме кольцевого счетчика, а их выходы являются выходами первой группы выходов счетчика, младшие разряды счетчиков выполнены по схеме двоичного счетчика и их выходы являются выходами второй группы выходов счетчика.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения комплексного сопротивления. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерения за счет регулировки сдвига фаз между напряжениями первого и второго преобразователей постоянного напряжения в переменное. Для этого в автоматический мост введены второй счетчик и регистр, причем младшие разряды счетчика выполнены по схеме кольцевого счетчика. Блок автоматического уравновешивания моста включает в себя микроЭВМ и интерфейсный адаптер, детектор равновесия избирательный усилитель, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, ограничитель, компаратор и регистр. Такая структура позволяет исключить в измерительной цепи моста вторую ветвь сравнения с присущими ей амплитудными и фазовыми погрешностями, являющимися составными погрешностями измерения. Введение второго счетчика и регистра дает возможность регулировать ток ветви сравнения как по амплитуде, так и по фазе, что позволяет уравновешивать мост при любом характере реактивности объекта измерения, причем независимо от вида используемой образцовой меры. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

гг

f f 19 18

1Г«

--

2

п

о

27

28

Ю

Фие.2

фиеЗ

Si