Устройство для измерения параметров комплексного сопротивления Советский патент 1992 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных сопротивлений или пассивных двухполюсных электрорадиоцепей с сосредоточенными постоянными (активного и реактивного сопротивлений, активной и реактивной проводимостей. индуктивности и добротности катушек индуктивности, емкости и тангенса угла потерь конденсаторов).

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет повышения прмехозащищенности и уменьшения влияния нелинейных искажений, вызываемых высшими гармониками в измерительных сигналах.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения параметров комплексного сопротивления.

Устройство для измерения параметров комплексного сопротивления содержит генератор Т синусоидального напряжения, преобразователь 2 сопротивление - напряжение, блоки 3-5 перемножения, детектор 6, 7 среднего значения, квадраторы 8 и 9, сумматор 1J3, блоки 11-13 деления, преобразователь 14 период - напряжение и коммутатор 15.

Первый выход генератора 1 синусоидального напряжения подключен к входу преобразователя 2 сопротивление - напряжение, к входу преобразователя 14 период - напряжение и первому входу блока 3 перемножения. Второй вь1ход генератора 1 синусоидального напряжения соединен с первым входом блока 4 перемножения. Вторые входы блоков перемножения соединены с входами детекторов 6 и 7 среднего значения. Выход детектора 6 среднего значения подключен к входу квадратора 8, первому входу блока 11 деления и первому входу коммутатора 15, а выход детектора 7 среднего значения - к входу квадратора 9, первому входу блока 12 деления и второму входу коммутатора 15. Выходы квадраторов 8 и 9 соединены с первым и вторым входами сумматора 10, выход которого подключен к вторым бходам блоков 11 и 12 деления. Выходы блоков 11 и 12 деления соединены соответственно с третьим и четвертым входами коммутатора 15, пятый вход которого подключен к выходу преобразователя 14 период - напряжение. Первый и второй выходы коммутатора 15 соединены с первым и вторым входами блока 13 деления, а третий и четвертый выходы коммутатора 15-с qepвым и вторым входами блока 5 перемножения. Шестой вход коммутатора 15 соединен с шиной управления.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 синусоидального напряжения формирует два синусоидальных напряжения, сдвинутых по фазе на 90° . Ui(t) Urnsin ал; .(1)

U2(t)-l (wt-f),(2)

где Urn, to - амплитуда и круговая частота напряжений.

Напряжение Ui(t) с первого выхода генератора 1 поступает на входы преобразователя 2 сопротивление - напряжение и преобразователя 14 период- напряжение и на первый вход блока 3 перемножения, а напряжение U2(t) с второго выхода генератора 1 - на первый вход блока 4 перемножения. На вторые входы блоков 3 и 4 перемножения подается напряжение с выхода преобразователя 2 сопротивление напряжение Ui(t), пропорциональное току в цепи измеряемого полного сопротивления.

Предположим, что в общем случае эта цепь нелинейна, и ток в ней представим

рядом Фурье со

i 0) 2 vm sin (vш t 4- )(3)

v i.

где V- номера гармоник, 1 , OD j Ivm , yv-амплитуда и начальная фаза vй гармоники.

Начальная фаза (fv совпадает с фазовым сдвигом V-и гармоники тока относительно напряжения U(t), начальная фаза которого принята равной нулю (для упрощения записей), что не меняет существа дальнейших математических выкладок. Это означает, что (fnf представляет аргумент полного сопротивления 1для каждой изгармоник тока.

Преобразователь 2 сопротивление - напряжение представляет собой обычно последовательное соединение образцового RO и измеряемого Z сопротивлений. Причем его выходное напряжение Ui(t) снимается с образцового сопротивления RO, которое выбирают из условия Ro«Z. Тогда, с учетом равенства (3), получают

Ui (t) RO I (t) RO Urn 2

v i

j- sin (ycat +(, (4)

где Ivm Um/Zv;

Zv - полное сопротивление цепи для v-й гармоники тока.

Напряжение Ui(t) подается с выхода преобразователя 2 сопротивление - напряжение на вторые входы блоков 3 и 4 перемножения, на выходах которых образуются напряжения, пропорциональные соответственно произведениям KiUi(t)Ui(t) и Ki U2(t) Ui(t),

где KI - коэффициент передачи блоков 3-5 перемножения. Выходные напряжения блоков 3 и 4 перемножения поступают на детекторы 6 и 7 среднего значения, напряжения на выходах которых определяются выражениями

Ug Ki К2 Y/ Ui (t) U (t) d t ; (5) о

Ub Ki K2 Y/ U2(t)-U(t)dt, (6)

о

где К2 - коэффициенты передачи детекторов 6 и 7 среднего значения;

Т - период выходных напряжений гене.ратора 1 синусоидального напряжения.

Индексы g и b в условных обозначениях напряжений Ug и Уь. на выходах детекторов 6 и 7 среднего значения приняты для отражения того, что эти напряжения, как будет показано ниже, пропорциональны активной и реактивной проводимостям.

Подставив в выражения (5), (6) равенства (1), (2), (4) и проведя вычисления, получают

K2-RoU cos

KI YI cos 1 KY g ,(7)

где и Urn/ среднеквадратическое значение выходного напряжения генератора 1; Zi - составляющая полного сопротивления для первой гармоники тока; Yi 1/Zi - составляющая полной проводимости для первой гармоники тока; g - измеряемая активная проводимость;Ку КгК2 RoU - коэффициент передачи устройства по проводимости. После аналогичных преобразований выражения (6) получают Ub Ki К2 RO и 2 S 1 KY Yi KY bi .(8) где bi YI sin 1 - измеряемая реактивная проводимость для первой гармоники тока. Из выражений (7), (8) следует, что напряжения Ug, Ub на выходах детекторов 6 и 7 среднего значения пропорциональны активной g и реактивной bi составляющим полной проводимости Yi для первой гармоники тока исследуемой цепи. Для измерения активного и реактивного составлящих полного сопротивления Zi для первой гармоники тока исследуемой цепи выходные напряжения Ug и Ub дет кторов 6 и 7 среднего значения подаются на квадраторы 8 и 9, на выходах которых образуются напряжения, пропорциональные Ug , ui. Эти напряжения поступают на входы сумматора 10 и на его выходе получают напряжение Цс Кз-К4(и1 + Ui),(9) где Кз и К4 - коэффициенты передачи квадраторов 8, 9 и сумматора 10 соответствен но. Учитывая равенства (11), (12), имеют Uc Кз К4 ( Y bos (р + -ЬК Yb sin (р) Кз К4 К Y . (10) Выходное напряжение Uj;;cyMMaTopa 10 подается на объединенные между собой вторые входы (входы делителя) блоков 11, 12, деления, а налервые входы (входы делимого) этих блоков поступают выходные напряжения Ug, Ub детекторов 6 и 7 среднего значения соответственно. На выходах блоков 11 и 12 деления образуются соответственно напряжения . UR, K5--yf; их К5--У, где КБ - коэффициент передачи блоков 1113 деления. С учетом равенств (7), (8), (10) получают KY YI cos9 1 UR Кз К4 у- -ТА cos 1 KZ R Ks Ку Yi sin 1 Кз К4 К -j Zi sin vPl Kz Xi, гдeR Z1cos (p - активное сопротивление исследуемой цепи; Xi Zisin (р - реактивное сопротивление, для первой гармоники тока исследуемой цепи; - коэффициент переКз К4 Ку дачи устройства по сопротивлению. Из выражений (11), (12) видно, что напряжения UR, Ux на выходах блоков 11, 12 деления пропорциональны активной R и реактивной X составляющим полного сопротивления для первой гармоники тока. Для измерения индуктивности и добротности катушки индуктивности, емкости и тангенса угла потерь конденсатора выходные напряжения детекторов 6 и 7 среднего значения, блоков 11, 12 деления и преобразователя 14 период - напряжение подаются соответственно на первый, второй, третий, четвертый и пятый входы (каналы) коммутатора 15, который может быть выполнен механическим или электродным. В зависимости от измеряемой величины с помощью шины управления через шестой вход коммутатора 15 устанавливается требуемое положение коммутатора 15 и на одну из пар его выходов: либо на первый и второй, либо на третий и четвертый подаются соответствующие два входных напряжения коммутатора 15. Так, при измерении индуктивности коммутатор 15 устанавливается в состояние, при котором на его третий и четвертый выходы и далее на входы блока 5 перемножения поступают напряжение Ux с выхода блока 12 деления и напряжение Ujc выхода преобразователя 14 период- напряжение, которое определяется соотношением ит Кб-Т,(13) где Кб- коэффициент передачи преобразователя 14 период- напряжение.i На выходе блока 5 перемножения образуется напряжение KZ Кб L, где KL Кг К- Кб 2 - коэффициент передачи устройства по индуктивности. При измерении добротности катушки индуктивности по первому и второму выходам коммутатора 15 подаются напряжение с выхода детектора 7 среднего значения нг вход делимого и напряжение с выхода де тектора 6 среднего значения на вход дели теля блока 13 деления. На выходе блока 1C

деления образуется напряжение, для которого с учетом равенства (7), (8) имеют

11-1 jJb ,, J YJ Yi lsirv Uo-K5yg-N5,,y .Yi .

КБ tg 1 Ks Q .

где Q - добротность катушки индуктивности.

При измерении емкости конденсатора по первому и второму выходам коммутатора 15 на входы делимого иделителя блока 13 деления подаются соответственно напряжения UT с выхода преобразователя 14 период - напряжение и напряжение Ux с выхода блока 12 деления. Для напряжения на выходе блока 13 деления с учетом равенств (12), (13) получают

Кб Кб 2 л:

С - Кс

К

Re

К5

- коэффициент перек

дачи устройства по емкости.

При измерении тангенса угла потерь конденсатора по первому и второму выходам коммутатора J5 на входы делимого и делителя блока 13 деления поступают соответственно напряжения Ug и Ub с выходов детекторов 6 и 7 среднего значения. Тогда с учетом выражений (7), (8) для напряжения на выходе блока 13 деления получают

К5

cos f

U5 K5

Ub sin (р КБ ctg 1 КБ tg б,

где tg 0 ctg (pi - тангенс угла потерь .конденсатора. В предлагаемом устройстве для измерения параметров комплексного сопротивления повышается помехозащищенность измерений, так как измерение параметров сопротивления основано на корреляционной обработке сигналов (или методе синхронного детектирования), которая обеспечивает максимально возможную помехозащищенность, т.е. является оптимал ной по помехозащищенности: кроме того, исключается влияние высших гармоник в кривой тока при нелинейном характере исследуемой цепи, так ка.к корреляционная обработка, как известно, представляет собой идеальный фильтр для гармонической составляющей, определяемой частотой опорного или базисного синусоидального сигнала генератора 1.

Повышение помехозащищенности и исключение влияния высших гармоник позволяют повысить точность измерений. Формула изобретения

Устройство для измерения параметров

комплексного сопротивления, содержащее последовательно соединенные генератор синусоидального напряжения и преобразователь сопротивление - напряжение, преобразователь период - напряжение, последовательно соединенные первый детектор среднего значени /, коммутатор и первый блок деления, первый и второй выходы коммутатора подключены к первому и

второму входам первого блока деления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены второй детектор среднего значения, второй и третий блоки деления, первый, второй и

третий блоки перемножения, два квадратора и сумматор, первые входы первого и второго блоков перемножения соединены соответственно с первым и вторым выходами генератора синусоидального напряжения, вторые входы первого и второго блоков перемножения подключены к выходу преобразователя сопротивление - напряжение, выходы первого и второго блоков перемножения соединены с входами первого и второго детекторов среднего значения, выход первого детектора среднего значения подключен к входу первого квадратора и первому входу второго блока деления, выход второго детекторасреднего значения соединен с вторым входом коммутатора, входом второго квадратора и первым входом третьего блока деления, выходы первого и второго квадраторов подключены к первому и второму входам сумматора соответственно, выход которого соединен с вторыми входами второго и третьего блоков деления, выходы которых подключены соответственно к третьему и четвертому входам коммутатора, пятый вход которого соединен с

выходом преобразователя период - напряжение, а третий и четвертый выходы - с первым и вторым входами первого блока перемножения, вход преобразователя период- напряжение соединен с первым выходом генератора синусоидального напряжения, генератор синусоидального напряжения выполнен двухфазным, шестой вход коммутатора соединен шиной управления.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения параметров комплексных сопротивлений или пассивных двухполюсных радиоцепей с сосредоточеннымипостоянными (активного и реактивного сопротивлений, активной и реактивной прово- димостей, индуктивности и добротности катушек индуктивности, емкости, тангенса угла потерь конденсаторов). Цель изобретения - повышение точности измерений за счет повышения помехозащищенности и уменьшения влияния нелинейных искажений, вызываемых высшими гармониками в измерительных сигналах. Цель достигается введением в устройство, содержащее генератор 1 синусоидального напряжения, пре- обра^ователь 2 сопротивление - напряжение, детектор 6 среднего значения, блок 11 деления, преобразователь 14 период- напряжение, коммутатор 15, детектора 7 среднего значения, блоков 12. 13 деления, блоков 3-5 перемножения, квадраторов 8. 9 и сумматора 10. 1 ил.(Лс