Трансформаторный мост переменного тока Советский патент 1992 года по МПК G01R17/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров комплексных проводи мостей, а также неэлектрических величин при помощи импедансных датчиков, в частности, при измерении удельной электрической проводимости растворов электролитов контактными четырехэлектродными ячейками.

Известны трансформаторные мосты переменного тока для измерения параметров малых комплексных сопротивлений.

Недостатком этих приборов является низкая точность измерения при наличии значительных шунтирующих проводимо- стей в тех случаях, когда сопротивления, подводящих проводов составляют значительную величину. Кроме того, шунтирующие проводимости, имея реактивный характер, резко ограничивают также частотный диапазон известных устройств.

Известен трансформаторный мост переменного тока, содержащий генератор, трансформатор напряжения с первичной обмоткой, подключенной к генератору и двумя вторичными обмотками, первый токовый зажим, подключенный к входу первого повторителя напряжения и через образцовую меру - к началу первой из вторичных обмоток, второй токовый зажим, соединенный с общей точкой прибора, потенциальные зажимы, подключенные через детектор равновесия и непосредственно к началу и концу второй вторичной обмотки.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обуслов- ленная сильным влиянием утечек с обмотками на другие элементы, а также низкой точностью измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является трансфер- матерный мост переменного тока, содержащий генератор, трансформатор напряжения, образцовую меру, объект измерения, два повторителя напряжения и детектор равновесия. Для исключения влияния паразитных проводимостей отдельные

обмотки выполнены экранированным проводом.

Мост содержит генератор напряжения, трансформатор напряжения с первичной

обмоткой и тремя вторичными обмотками, образцовую меру, токовые зажимы и потенциальные зажимы для подключения объекта измерения, для повторителя напряжения (ПН), объект измерения детектор равновесия(ДР).

Известный мост работает следующим образом. Напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения приложено через образцовую меру-к токовым зажимам

и вызывает ток, протекающий через объект измерения. Повторитель напряжения служит для формирования на конце обмотки напряжения, равного сигналу на токовом зажиме. При этом последовательно включенные обмотка и образцовая мера работают в режиме короткого замыкания, а ток х, протекающий через объект измерения, равен

Um4

l

Z0

0

5

0

5

где Um4- напряжение на обмотке;

2.о - сопротивление образцовой меры.

Падение напряжения на объекте измерения, создаваемое указанным током, снимается при помощи потенциальных зажимов и подается на последовательно включенные вторичную обмотку и детектор равновесия. Последний сравнивает поступающие на него напряжения и изменяет число витков обмотки так, что в момент равновесия напряжение на обмотке равно напряжению на объекте измерения. Условие равновесия при этом имеет вид

ч ГП4 1

Gx - - ,

ГГ15 о

где Gx - проводимость объекта измерения;

ям, trig- числа витков вторичных обмоток.

Повторитель напряжения и вторичная обмотка совместно с повторителем создают необходимое напряжение на конце вторичной обмотки и одновременно служат источниками защитных потенциалов, к которым подключаются экраны проводов, соединенных с потенциальными, зажимами объекта измерения.

Недостатком известного моста является неточное формирование режима заданного тока, обусловленное следующими составляющими погрешности: первая - нагрузочная погрешность, вызванная подключением вторичной обмотки первого трансформатора к низкоомным цепям питания ПН, в результате чего на омическом сопротивлении обмотки возникает падение напряжения U2, которое приводит к погрешности 5i:

Цн-Цf1)

U U

5r

гдеин URX+UR +UR + U2;

URX - падение напряжения между потенциальными выводами:

UR ,Us - падение напряжения между соответствующими потенциальными и токовыми выводами:

U URX+UR + UR ,(2)

U URX + U R + U R - напряжение UH при отсутствии тока, протекающего через обмотку.

Для более подробного рассмотрения погрешности рассмотрим эквивалентную схему цепи питания ПН1. По переменному току конденсатор фильтра Сф и источники питания постоянного тока коротко замкнуты. Тогда из (1) и (2) для данной схемы имеем

Л -U2- г2 . URX + UR °t - 11 -

U ,+Z2 При условии,

UV UR URx

URX+UR +UR

ЧТО Рф Г И

, то д «-гг- ; Ти

Рф

личное значение сопротивления фильтра Рф - 100 Ом, а для обмотки, например, 10 витков г 0,01 Ом. Тогда д 0,02%. . Вторая составляющая погрешности обусловлена неидеальными параметрами операционного усилителя ПН 1, в частности конечной величиной коэффициента ослабления синфазного сигнала КСф. Эту погрешность можно оценить по формуле

, 1 , H+l2 + UR Г

02 К( I1+UR Ксф

Для операционного усилителя с приемлемой частотой единичного усиления и скоростью нарастания выходного сигнала типичное значение КСф 80 дБ. Следовательно & 0,02%.

Для известного моста .существует еще один источник погрешностей, обусловленный неидеальным подавлением синфазной составляющей в дифференциальном детек0

5

0

5

0

5

0 5

0

5

торе равновесия. Эта погрешность соизмерима с погрешностью 62.

Отсюда, суммарная погрешность измерения составляет для известного моста 6 0,04-0,05%.

Указанные составляющие погрешности снижают точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерений. t : .

Поставленная цель достигается тем, что в трансформаторный мост переменного тока, содержащий генератор, детектор равновесия, первый трансформатор напряжения с первичной обмоткой, подключенной к генератору, и с первой, второй и третьей вторичными обмотками, первый и второй повторители напряжения, причем вход первого повторителя напряжения подключен через образцовую меру сопротивления к началу регулируемой первой вторичной обмотки, а выход - к концу этой же обмотки, два токовых и два потенциальных зажима для подключения объекта измерения, причем первый токовый зажим соединен с общей шиной, а первый потенциальный зажим - с входом второго повторителя напряжения, при этом соединительный провод выполнен экранированным, экран которого соединен с первым выходом второго повторителя напряжения, второй выход которого и один из выводов генератора соединен с общей шиной, введен второй трансформатор напряжения с первой и второй обмотками/второй токовый зажим для подключения объекта измерения соединен через вторую вторичную обмотку первого трансформатора напряжения с входом первого повторителя напряжения, второй потенциальный зажим через последовательно соединенные третью вторичную обмотку первого трансформатора напряжения, вторичную обмотку второго трансформатора напряжения и детектор равновесия соединен с общей шиной, начало первичной обмотки второго трансформатора напряжения соединено с первым выходом второго повторителя напряжения, конец ее и второй выход первого повторителя напряжения соединены с общей шиной. Вторая и третья вторичные обмотки первого трансформатора напряжения и вторичная обмотка второго трансформатора напряжения, а также соединительные провода этих обмоток выполнены экранированным проводом, причем экран провода, соединяющего один из выводов вторичной обмотки с входом первого повторителя напряжения, подключен к выходу этого повторителя напряжений, а эк

ран вторичной обмотки второго трансформатора подключен к общей шине.

Положительный эффект достигнут благодаря тому, что повторители напряжения передает сравнительно небольшой (по отношению к сигналу уравновешивания) сигнал относительной общей шины.

На чертеже представлена схема предлагаемого моста.

Паразитный мост содержит генератор 1, трансформатор 2 напряжения с первичной обмоткой 3, начало вторичной обмотки 4, которого через образцовую меру 7 сопротивления, повторитель 8 напряжения (ПН) подключается к концу этой обмотки, объект 9 измерения, первый токовый вывод 10, которого через вторичную обмотку 5 соединен с входом ПН 8, первый потенциальный вывод 11 через третью вторичную обмотку б и вторичную обмотку трансформатора 12 подключен к детектору 13 равновесия, второй потенциальный вывод 14 через повторитель 15 напряжения соединен с первичной обмоткой трансформатора 12. Выходы обоих повторителей напряжения, детектора равновесия и второй токовый вывод 16 подключены к общей шине.

Предлагаемый мост работает следук .щим образом.

Под действием приложенного напряжения в цепи объехта 9 измерения протекает ток. ПН 8 служит для формирования в точке подсоединения обмотки 5 к образцовой мере 7 сопротивления потенциала, близкого к нулю, в результате чего объект измерения находится в режиме заданного тока. Обмотка 5 имеет одинаковое с обмоткой 6 число витков и служит для компенсации падения напряжения между потенциальными зажимами объекта. Вследствие этого передаваемое ПН 8 напряжение существенно уменьшается, так как

Ro R + , где По - образцовая мера сопротивления;

R M R - сопротивление между потенци- альными и токовыми выводами, при этом значительно снижаются требования к точности коэффициента передачи и входного сопротивления повторителя напряжения. Таким образом, между выводами 10 и 16 объекта протекает ток

0

5

5

приводит к падению напряжем D D л Q (

5

0

5

Этот ток

ния на элементах R1, Rx и R объекта измерения. Падение напряжения между потенциальными выводами 11 и 14 снимается при помощи ПН15 и трансформатора 12 и сравнивается с напряжением на обмотке 6 при помощи детектора равновесия. Мост уравновешивается путем изменения числа витков обмотки 4. В момент равновесия напряжения на обмотке 6 равно падению напряжения между выводами 11 и 14. Из условия равновесия следует, что измеряемая проводимость Gx определяется следую-. щим выражением

Gx Ux Rx me Ro

где me - число витков третьей вторичной обмотки трансформатора 2 напряжения. В момент равновесия ток в цепи ком0 пенсации (вывод 11, обмотка 6 и вторичная трансформатора 12 ДР) не протекает, следовательно параметры RI и Ra не влияют на результат измерения.

Для исключения влияния паразитных проводимостей на результат сравнения об- мотку 6, вторичную обмотку трансформатора 12 и связь между ними выполняют экранированным проводом, экран которого со стороны входа ДР подключен к общей шине. Обмотку 5 также выполняют экранированным проводом, а экран подключают к выходу ПН 8, Тем самым обеспечивается эквипотенциальная защита передаваемых сигналов.

В предлагаемом мосте выход (цепи питания) ПН 8 подключен к общей шине. Вследствие этого нагрузочная погрешность 3i, характерная для известного моста, отсутствует, а погрешность за счет конечного по0 давления синфазной составляющей & определяется, как

52 1/Ксф,

где Ксф - коэффициент ослабления синфазного сигнала операционного усилителя.

Для типичных операционных усилителей КСф 80 дБ. Поэтому

(52 0,01%.

Преимуществом предлагаемого моста является более высокая точность измерений, по сравнению с известным она увеличивается в 4-5 раз.

0

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах для измерения параметров комплексных проводимостей, а также неэлектрических величин при помощи импедансных датчиков, в частности для измерения удельной электрической проводимости растворов электролитов контактными четырехэлект

, Ifl4 .Уо

I я - U. .

тз Ro

где тз - число витков первичной обмотки трансформатора 2 напряжения;

яй - число витков первой вторичной об мотки трансформатора 2 нал ряжения;

Uo-напряжение генератора.

Формула изобретения 1. Трансформаторный мост переменно- го тока, содержащий генератор, детектор равновесия, первый трансформатор напряжения с первичной обмоткой, подключенной к генератору, и с первой, второй и третьей вторичными обмотками, первый и

второй повторители напряжения, вход первого повторителя напряжения подключен через образцовую меру сопротивления к началу регулируемой первой вторичной обмотки, а выход - к концу этой же обмотки, два токовых и два потенциальных зажима для подключения объекта измерения, причем первый токовый зажим соединен с общей шиной, а первый потенциальный зажим - с входом второго повторителя напряжения, при этом соединительный провод выполнен экранированным, а экран которого соединен с первым выходом второго повторителя напряжения, второй выход которого и один из выводов генератора соединены с общей шиной, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введен второй трансформатор напряжения с первичной и вторичной обмотками, второй токовый зажим для подключения объекта измерения соединен через вторую вторичную обмотку первого трансформатора напряжения с входом первого повторителя напряжения, второй потенциальный зажим через последовательно соединенные третью вторичную обмотку первого трансформатора напряжения, вторичную обмотку второго

трансформатора напряжения и детектор равновесия соединен с общей шиной, начало первичной обмотки второго трансформатора напряжения соединено с первым выходом второго повторителя напряжения,

а конец - с общей шиной.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что вторая и третья вторичные обмотки первого трансформатора напряжения и вторичная обмотка второго трансформатора напряжения, а также соединительные провода этих обмоток выполнены экранированным проводом, причем экран провода, соединяющего один из выводов вторичной обмотки с входом первого повторителя напряжения, подключен к выходу этого повторителя напряжений, а экран вторичной обмотки второго трансформатора подключен к общей шине.