Способ измерения комплексных параметров двухполюсника Советский патент 1992 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано для определения комплексных параметров двухполюсников без измерения фазовых углов.

Двухполюсниками могут быть представлены любые электрические устройства энергетического или информационного назначения, у которых выведены только две точки присоединения к вйешней электрической цепи (два полюса). Ниже рассматриваются линейные и пассивные двухполюсники с произвольной, сколь угодно сложной внутренней структурой. Подобные двухполюсники предполагаются подключенными к внешним источникам гармонического напряжения или тока. Принтом они характеризуются полным (комплексным) входным сопротивлением Z или полной (комплексной) входной проводимостью Y, где

X|

(Л

о

00

CO N3

g-rHJx-Ze j fD 2«mod(2) (2)«ZcoS4 j

if.qr.arctg-j (z)-Z6imp Y«|«G-jb-ye i4

Ш (JJ

пккДчЬ сЛв1, G,.Re(Yhyco3q ;

la IM

q-a M orelij-ijr-, B«Im(,

где р- угол сдвига фаз между напряжением и током в двухполюснике,

Таким образом, полные входные сопротивления или проводимости двухполюсников характеризуются комплексными величинами, которые задаются либо действительными (г, G) и мнимыми (х, В)составля- ющими, либо модулями (Z, у) и аргументами

(±0Известны способы определения комплексных входных сопротивлений или прово- димостей двухполюсников с помощью группы следующих приборов: ваттметра или фазометра, вольтметра и амперметра.

Недостатки известного способа заключаются в следующем: при использовании ваттметра остается неизвестным знак фазового угла р %.0, т е. не определяется характер самого двухполюсника - индуктивный или емкостный, преодоление указанного недостатка требует дополнительных опытов и измерений.

При использовании фазометра знак фазового угла становится известным, но точность его определения невелика, что приводит к существенным погрешностям в определении компонент полных сопротивлений или проводимостей; при необходимости измерения Z или Y на частотах, превышающих 50 Гц, возникают существенные трудности, ибо ваттметры и фазометры на частоты звукового и радио-диапазона крайне дефицитны, очень дороги, а их точность тоже невелика; погрешности аппаратурного определения фазовых углов не только весьма значительны, но и существенно зависят от частоты напряжения, на котором производятся измерения.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения параметров комплексного двухполюсника, заключающийся Ё том, что измеряемый двухполюсник подключается к выходу калиброванного четырехполюсника, комплексные параметры которого заданы во всем диапазоне используемых частот. Затем производят измерение действующих значений напряжений и токов на выходе нагруженного калиброванного четырехполюсника и вычисляются модул ь Z и аргумент рисследуемого двухполюсника по алгоритму.

Известному способу свойственны следующие недостатки.

0

5

Калиброванный четырехполюсник должен быть задан двумя комплексными параметрами:

характеристическим сопротивлением

Zc (5)

где Zc mod(Zc); pc arg(Zc);

постоянной передачи

r a + Jb,(6)

где а и b - постоянные затухания и фазы, соответственно.

Все эти-параметры зависят от частоты. Следовательно, для измерений различных частот должны быть заданы четыре частотных характеристики калиброванного четырехполюсника

Zc Z(to), рг. рсо(),а а(ш), b b(w). При их практическом использовании возможны дополнительные погрешности, влияющие на конечные результаты.

Формулы для определения р - arg(Z) достаточно сложны и громоздки, что осложняет их использование в измерительном процессе.

Цель изобретения - повышение точности определения измеряемых параметров.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения комплексных параметров двухполюсников, включающему подачу гармонического напряжения на вход четырехполюсника, измерение действующих значений напряжения и тока на его зажимах, расчет комплексных параметров двухполюсников, образуют вспомогательный четырехполюсник в виде симметричного Т-звена из двух одинаковых известных резисторов в продольных ветвях и измеряемого двухполюсника в его поперечной ветви. Подавай гармоническое напряжение на вход Т-звена, в режиме холостого хода (XX) измеряют напряжение и ток на его входных зажимах и напряжение на выходных; в режиме короткого замыкания (КЗ) измеряют напряжение и ток на входных зажимах.

Определение комплексных параметров измеряемого двухполюсника производят по 5 формулам (3) и (4), а также

0

5

0

5

0

М-

N .

0

5

ч-R-,

м4 к И 1 41ММ ИЧМ)

где

и,уо. u)ttьх

к ° т. т; т

«ахи х

(7}

(Я

(9)

(W

В выражениях (7)-(10)- lhx, UIK, Их, Нк - действующие значения напряжения и тока на входе Т-звена в режимах XX и КЗ соответственно; U2x - напряжение на выходе Т-звена в режиме XX; R - сопротивление каждого из двух резисторов, образующих продольные ветви Т-звена. Величина R. в омах, известна. Относительные погрешности сопротивлений каждого из этих резисторов не должны превышать гарантированной. погрешности измерительных приборов.

На фиг.1 показана схема Т-звена типа R-Y-R, образующего обобщенный четырехполюсник SJ на Фиг-2 - четырехполюсник Э в режиме холостого хода и измеряемые при этом величины; на фиг.З - четырехполюсник 2 в режиме короткого замыкания и измеряемые при этом величины.

Предлагаемый способ измерения комплексных параметров двухполюсников сво- дится к выполнению следующей последовательности операций с помощью материальных объектов (вольтметра, амперметра, ключа) над другим материальным объектом (исследуемым двухполюсником).

Образуют обобщенный четырехполюсник 2J. состоящий из симметричного Т-зве- на вида R-Y-R, где R - два одинаковых резистора, сопротивление которых известно, Y - измеряемый комплексный двухпо- люсник (фиг.1).

Подключают к входу обобщенного четы-рехп олюсника Х источник гармонического

напряжения, а к выходу - ключ К, с помощью которого можно переводить Т-звено в режи- мы холостого хода (XX) или короткого замыкания (КЗ).

Измеряют в режиме XX действующих значений напряжение и ток на входе обобщенного четырехполюсника Zj Uix, hx и напряжение на его выходе U2x (фиг.2), измеряют в режиме КЗ действующие значения напряжения и тока на входе обобщенного четырехполюсника UIK, Ик (фиг.З).

Вычисляют согласно формулам (10) двух вспомогательных параметров

v - Uix т2 - UIK hx U2x Uix IIK

По своему физическому смыслу это параметры-модули комплексных функций от комплексного аргумента, т.е.

К - modfchr}; Т mod(thr),(11)

где Г а + jb - постоянная передачи обоб- 55 щенного четырехполюсника 2 согласно - выражению (б);

a, b - постоянные затухания и фазы соответственно.

Вычисляют согласно формулам (8}-(9) двух расчетных параметров М и N, которые по своему физическому смыслу таковы:

М cha N sha sinb, (12)

Вычисляют согласно формулам (7) действительной и мнимой составляющих комплексной (полной) проводимости измеряемого двухполюсника G и -В.

При этом расчетные значения G и В инвариантны к параметру R, т.е. при изменении R в (7) изменяются не только знаменатели, но и числители (М-1) или (-N). Физически это определяется тем, что при вариациях R соответственно изменяются напряжения и токи, измеряемые в режимах XX и КЗ. От этого соответственно изменяются все промежуточные и расчетные параметры, но G и В остаются постоянными, определяемыми лишь внутренней структурой двухполюсника Y, которая от R не зависит.

Вычисляют согласно формулам (3)-(4) полную проводимость двухполюсника Y и, если требуется, его полное сопротивление Z,

,

(1Ь)

х /Ы

гЦгЧх сг-Г-т)

х«В

Т

5

0

5

0

5

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с известным состоит в том, что повышается точность измерения, используется более дешевая элементная база (два одинаковых резистора вместо калиброванного четырехполюсника); значительно упрощается и ускоряется вычисление комплексных параметров измеряемого двухполюсника, что важно при автоматизации измерительного процесса и обработке результатов на ЭВМ; при измерениях на частоте, отличающейся от промышленной, не нужен частотомер, без которого невозможно обратиться к частотным характеристикам калиброванного четырехполюсника.

Формула изобретения Способ измерения комплексных параметров двухполюсника, включающий подачу гармонического напряжения на вход четырехполюсника, измерения действующих значений напряжения и тока на его зажимах, расчет комплексных параметров двухполюсника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, образуют вспомогательный четырехполюсник в виде

симметричного Т-звена - из двух известных одинаковых резисторов в продольных ветвях - и измеряемого двухполюсника в его поперечной ветви, в режиме холостого хода измеряют действующие значения напряжения и тока на входных зажимах Т-звена и напряжения на его выходных зажимах, в режиме короткого замыкания измеряют действующие значения напряжения и тока на выходных зажимах Т-звена, а определение комплексных параметров двухполюсника производят по формулам

1 .

Y G

-

Z

м М ИЧЗ Ч (|-т)-Г)

K.iii к IV

-1 Uix 1(у ТГ Т

IX I

(К

где Uix, UIK- действующие значения напряжения на входных зажимах Т-звена в режич мах холостого хода и короткого замыкания соответственно:

U2x - то же на конце Т-звена в режиме холостого хода;

Их, Нк - действующие значения токов на входе Т-э вен а в режимах холостого хода и короткого замыкания соответственно; К, Т, М, N - промежуточные расчетные величины;

R - сопротивление каждого из резисторов, образующих два продольных плеча Т- звёна;

Y-полная проводимость измеряемого двухполюсника;

G, В - активная и реактивная составляющие Y;

Z - полное сопротивление измеряемого двухполюсника;

у, # -модуль и аргумент 2.

Изобретение касается электрических измерений и может быть использовано для Определения комплекс ных параметров двухполюсников без измерения фазовых углов. Цель изобретения - повышение точности измерения. Для этого, подавая гармоническое напряжение на вход вспомогательного Т-звена, образуемого из двух одинаковых известных резисторов в продольных ветвях и измеряемого двухполюсника в поперечной ветви, измеряют напряжение и ток на его входных зажимах и напряжение на выходнУх в режимах холостого хода и короткого замыкания и рассчитывают параметры двухполюсника. Способ позволяет также упростить математическую обработку и снизить аппаратурные затраты при его реализации. 3 ил. сл с . y-lt

ш

Ъцг.1

It

- - -J

123

К