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

фъи,2

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения комплексных электрических сопротивлений и может найти широкое применение при измерении параметров комплексных сопротивлений, неэлектрических величин, в научных исследованиях, в различных технологических процессах.

Известен ряд устройств, обеспечивающих измерение параметров комплексного сопротивления, в основу которых положены уравновешенные цепи переменного тока, включающие активные элементы - операционные усилители (ОУ), Эти устройства обладают небольшими габаритами и весом, технологичны.

Однако известные устройства характеризуются недостатком - погрешностью измерения, возникающей за счет неидеальности используемых ОУ, а именно конечного значения коэффициента передачи ОУ.

Известны устройства, реализующие способы измерения, обеспечивающие уменьшение погрешности определения сопротивления.

Однако улучшение метрологических характеристик в этом случае достигается путем усложнения измерительной цепи в результате введения дополнительных активных элементов (ОУ) и точных мер сопротивления, т. е. значительных аппаратурных затрат.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, представляющее собой микропроцессорный мост переменного тока, измерительная цепь которого реализована на ОУ.

На фиг. 1 изображена упрощенная функциональная схема устройства; на фиг, 2 - расширенная схема предлагаемого устройство.

Устройство содержит мостовую измерительную цепь, плечи которой образованы инвертирующим масштабирующим усилителем 1 (ИМУ), состоящим из делителя обратной связи (Z1, 22} и операционного усилителя (ОУ), инвертирующий вход которого и общая точка делителя соединены, выход которого соединен с одним из выводов объекта 2 измерения (Zx), второй вывод которого соединен с входом системы 3 автоматического уравновешивания (САУ) и с одним из выводов образцовой меры 4 сопротивления (Zo), другой вывод которой соединен с выходом генератора 5 (Г) и входом инвертирующего масштабирующего усилителя 1. Выход системы 3 автоматического уравновешивания соединен с цифровым входом образцовой меры 4 сопротивления,

входом цифрового отсчетного устройства 6, а общий провод генератора 5 соединен с общим проводом.

Известное устройство работает следующим образом.

Под действием вырабатываемого генератора 5 напряжения в ветвях измерительной цепи протекает ток 0 в образцовой ветви, образованной инвертирующим масштабирующим усилителем 1 и объектом 2 измерения.

На цифровые входы образцовой меры Zo с выхода САУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которыми изменяется величина сопротивления Z0 и, следовательно, ток образцовой ветви 0.

Меняя код на входах управления Z0 и анализируя токи образцовой ветви и ветви объекта Ix, САУ устанавливает равенство

10 1х.(1)

При этом код сопротивления поступает на вход цифрового отсчетного устройства, которое индицирует значение измеряемого комплексного сопротивления.

Ток в образцовой ветви определяется

следующим образом: i -Ur

lo-,

(2)

0

5

где Ur - напряжение генератора;

Z0 - значения сопротивления образцовой меры Z0.

Ток в цепи объекта:

I -U1 Ix-,

где Zx - значение сопротивления объекта;

Ui - напряжение на выходе инвертирующего масштабирующего усилителя. Можно показать, что Ui Z2 1 Ur Zi ,. 1 ,

v+-pr

где Zi. Z - значение сопротивлений образцовых мер 7 и 8 соответственно, входящих в состав инвертирующего масштабирующего усилителя 1;

К - коэффициент усиления напряжения ОУ

/ .(4)

0ТГ

5

(3)

50

где К - коэффициент передачи реального ОУ.

Решая совместно уравнения (2) и (3), получаем

u UrZ2

ZxZiO-fJ) учитывая (1)

Ur Z

Ur -7z

ZxZiO-f)

JK

или относительно Zx

у UrZ2

Zx 1- .(5)

ziO+Д)

Величина произведения ВК в выражении (4) является неизвестной и вносит систематическую неучитываемую погрешность при определении значения сопротивления обьекта измерения. Кроме того, вследствие частотной зависимости В К, ухудшается точность измерения Zx в широком диапазоне частот, что снижает функциональные возможности устройства.

Например, в диапазоне частот 10 - 100 кГц значение / К реального ОУ (например К544УД2) изменяется в пределах от 1000 до 100, вследствие чего, погрешность определения Zx составляет 0.1...1 %.

Таким образом, недостатком известного устройства является низкая точность измерения сопротивления объекта.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что цифровой мост переменного тока, содержащий генератор, блок автоматического уравновешивания, первую и вторую клеммы для подключения объекта измерения, образцовую меру сопротивления, цифровой отсчет- ный блок и масштабный усилитель, выход которого соединен с первой клеммой для подключения объекта измерения, а вход - с первым выводом образцовой меры сопротивления и с первым выводом генератора, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом вторая клемма для подключения объекта измерения и второй вывод образцовой меры сопротивления соединены с входом блока автоматического уравновешивания, выходы которого соединены с входом управления образцовой меры сопротивления, снабжен последовательно соединенными ключом и дополнительной образцовой мерой сопротивления, регистром результата, вычислительным блоком, блоком управления, состоящим из последовательно соединенных тактового генератора и счетного триггера, при этом второй вывод ключа соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод дополнительной образцовой меры сопротивления соединен с общей шиной, управляющий вход ключа соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом вычислительного блока, выходы

блока автоматического уравновешивания соединены с информационными входами вычислительного блока регистра результата, вход записи которог о соединен с первым выходом блока управления, выход регистра

результата соединен со вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с входом цифрового отсчетного блока.

Отличительными признаками предложенного устройства являются: дополни0 тельная образцовая мера сопротивления, ключ, блок управления, регистр результата, вычислительное устройство совместно с новыми связями,

Образцовая мера, ключ, вычислитель5 ное устройство, регистр результата - это известные признаки, широко используемые в цифровых мостах переменного тока. Однако функции, выполняемые ими в предлагаемом устройстве, отличаются от обычных.

0В частности, вычислительное устройство в предлагаемом цифровом мосте переменного тока используется для вычисления значения измеряемого сопротивления по выведенной авторами формуле.

5 Регистр результата служит для запоминания результата одного из двух измеренных значений искомого сопротивления Zx.

Образцовая мера сопротивления Zfl, соединенная последовательно с ключом, слу0 жит для изменения коэффициента обратной связи инвертирующего масштабирующего усилителя с последующим повторным уравновешиванием цифрового моста переменного тока, Это дает возможность получить

5 второе уравнение равновесия мостовой цепи с последующим исключением неизвестного коэффициента передачи К.

Положительный эффект объясняется тем, что при вариации коэффициента обрат0 ной связи инвертирующего масштабирующего усилителя получено дополнительное уравнение равновесия мостовой цепи, что дает возможность исключить из расчетов неизвестный коэффициент усиления ОУ,

5 входящего в состав этого усилителя.

Предлагаемый цифровой мост переменного тока (фиг. 2) содержит масштабирующий усилитель 1, состоящий из делителя обратной связи (Zi, Za) и операционного уси0 лителя (ОУ), инвертирующий вход которого и общая точка делителя соединены, выход которого соединен с одним из выводов объекта 2 измерения (Zx), второй вывод которого соединен с входом блока 3

5 автоматического уравновешивания (БАУ) и с одним из выводов образцовой меры 4 сопротивления (Z0), другой вывод которой соединен с выходом генератора 5 (Г) и входом масштабирующего усилителя 1. Выход блока 3 автоматического уравновешивания соединен с цифровым входом образцовой меры 4 сопротивления и информационным входом 1 регистра 6 результата и информационным входом 2 вычислительного блока 7, информационный вход 1 которого соединен с выходом регистра 6 результата, Выход 2 блока 8 управления соединен с управляющим входом 3 вычислительного блока 7, а выход 1 блока управления 8 соединен с входом 2 управления регистра 6 результата и управляющим входом ключа 9. Последний последовательно с дополнительной мерой 10 соединен с точкой соединения делителя обратной связи Zi, 2.г с инвертирующим входом ОУ, а другой вывод дополнительной образцовой меры и общий вывод генератора 5 соединены с общим проводом мостовой цепи. Выход вычислительного блока 7 соединен с входом цифрового отсчетного блока 11.

Цифровой мост переменного тока работает следующим образом.

Процесс определения значения комплексного сопротивления объекта измерения состоит из двух этапов.

На первом этапе измерения конфигурация измерительной мостовой цепи идентична с прототипом.

Под действием вырабатываемого генератором напряжения в ветвях измерительной цепи протекают токи: IQI - в образцовой ветви, образованной образцовой мерой 4 сопротивления; 1Х1 - в ветви объекта, образованной инвертирующим масштабирующим усилителем 1 и объектом 2 измерения. Ключ 9 разомкнут.

На цифровые входы образцовой меры Zo с выхода БАУ поступают последовательности кодов, в соответствии с которым изменяется величина сопротивления Zo и, следовательно, ток образцовой ветви loi.

Ток в образцовой ветви определяется следующим образом: Ur

«01

Zoi

(Г)

где Ur- напряжение генератора;

Zoi - значение сопротивления образцовой меры для первого измерения,

Ток в цепи объекта

1x1

Un

17

О )

где Zx значение сопротивления объекта;

Un - напряжение на выходе инвертирующего масштабирующего усилителя.

Можно показать, что:

Uii eZ2J

ur zVi о- Ч

1+дт)

где К - коэффициент усиления напряжения ОУ,

Меняя код на входах управления Z0 и анализируя токи образцовой ветви и ветви объекта м, БАУ устанавливает равенство

oi xi.(21)

При этом код сопротивления поступает на информационный вход регистра результата, а на управляющий вход регистра ре- 0 зультата с выхода блока управления подается импульс, который фиксирует код в регистре результата и одновременно замыкает ключ 9.

Записав выражения (1), (2), (3) и решив 5 их совместно, определим значение Zx

ZX Z2Z011(50

ztO+Д)

Полученное уравнение изоморфное уравне- 0 нию (51 ) позволяет определить значение сопротивления объекта Zx с учетом неидеальности ОУ, т. е. конечного значения коэффициента усиления ОУ, Отсюда следует, что Zx, определенное на основании данных пер- 5 вого этапа измерения, будет содержать составляющую погрешности, определяемую

. Следовательно,

сомножителем

0

5

1 +

1

ДК

0 для нахождения точного значения необходимо исключить влияние этого сомножителя, для чего вводится второй этап измерений. Первый этап измерения заканчивается в момент замыкания ключа 9 и

5 подключения дополнительной образцовой меры к инвертирующему входу ОУ и общей точке делителя обратной связи.

На цифровые входы образцовой меры Zo с выхода БАУ поступают последователь0 ности кодов, в соответствии с которыми изменяется величина сопротивления Z0 и, следовательно, ток образцовой ветви Io2. Меняя код на входах управления Zo и анализируя токи образцовой ветви и ветви объек5 та х2. БАУ устанавливает равенство

Io2 х2-(6)

При этом на вход 2 вычислительного блока 7 поступает код сопротивления, полученный на втором этапе измерения, при замкнутом ключе 9; на вход 1 - код сопротивления, полученный при разомкнутом ключе.

Ток в образцовой ветви определяется следующим образом:

. - Ur

l02-ZrV

где Zd2 - значение сопротивления образцовой меры.

Ток в цепи объекта

(7)

Ix2

U12

(8)

где U12 - напряжение на ющего усилителя.

Запишем

U12 Z2

Ur 2l(1+ 1) 4 /S1 К

где /З1 - коэффициент о

ZA - сопротивление цовой меры.

1 Zi ZA

Zi Z2 + ZA Z2 + Учитывая (6) и (9), мо

U12 Ur Z02

Zx

следовательно

Ur Z2 (Zi + ZA)

az-d+ z,

откуда определяем Zx Zo2Z2

Zx

Zl(1+

()

7 t-t. - т

(12)

Совместное решение уравнений (5) и (11) позволяет получить выражение для Zx, не зависящее от коэффициента передачи ОУ:

Z2 Об1г02-/3г01) zi -р)

Определяем погрешность измерения Zx. Для этого вначале предполагаем, что ОУ является идеальным, т. е. К-

Zx ZOM 27 Оз)

где ZOH - значение сопротивления образцовой кодоуправляемой меры, измеренное в случае идеального ОУ.

Таким образом, уравнение (5) можно записать

Zx(Zon+AZ)f

где AZ - приращение измеряемого сопротивления (Zo) за счет неидеальности ОУ. (ZOH +AZ) . Z2 ,, , 1

+Щ)

-ои

и ) . ±Ј С1 4- - | - Z1 +ftV

Туи Z2

Zi

(1+)

-ои

1+кт)

Очевидно, что с учетом (13) погрешность измерения Zx определяется следующим образом:

1 AZ

К ZOM

Тогда значение Zx определяется выражением

А 7 - - ° Ј ТП5

(14)

)

9)

иру

раз(Ю)

10

7-7 Z2

-Х - i-QH т-

1

Zi 1 + 6Zx Используя уравнения (5 }и(11), определяем,

г чему равно значение тт-т

1 ДУо2 /31rZo2-ZoHs

К

б) AZ

Р 2

-ЈlrZ°2 n-fffZQZ-Zoiis

T()-()

AZ Z02 Z on ,

где AZ - приращение измеряемого (ZO) сопротивления за счет неидеального ОУ для второго измерения. 15 Таким образом 1

5Z0

20 Zo.

1 К

AZ A7

- погрешность измерения

-ои

Можно записать . Zoi Z2

Zx -

1

Zi

25

g

1 +(5Z0 ZlZfl

ZiZ2+Z2ZA+ZiZAZfl

ZiZA+Z2i

Zi + Z2

30

где

Z21

ZiZ2

Zi + Z2

отсюда

35

1

К

azc

zA+z2r

Для реального существующего случая ZA Z21

1 „, -, ZA

к

(5ZC

Z21

40 С учетом (14) погрешность, с которой рассчитывается Zx (5ZX) для рассматриваемого устройства, определяется точностью используемой для вариации добавочной меры сопротивления Zfl, точностью измерения

45 значения Zo и классом постоянных мер сопротивления Zi, 7.1.

Меры Zi, Z2, Zo заданы с высокой точностью и поэтому их вкладом в погрешность измерения можно пренебречь, учитывая

50 лишь влияние 2Я.

Например, для того, чтобы вычислить Zx на частоте 100 кГц (где ) с погрешностью не более , достаточно выбрать дополнительную меру ZA с точностью .

55 Тогда, учитывая, что погрешность определе1

ния б (v-n) должна быть 10 . В этом случае

(14) 5ZX 10 . Из этого следует, что дополнительная образцовая мера может быть выбрана на 2-3 порядка менее точной, чем меры Zi, Z2.

Таким образом, в предлагаемом устройстве, по сравнению с прототипом, на 2-3 порядка повышена точность определения измеряемого сопротивления.

Формула изобретения Цифровой мост переменного тока, содержащий генератор, блок автоматического уравновешивания, первую и вторую клеммы для подключения объекта измерения, образцовую меру сопротивления, цифровой отсчетный блок и масштабный усилитель, выход которого соединен с первой клеммой для подключения объекта измерения, а вход- с первым выводом образцовой меры сопротивления и с первым выводом генератора, второй вывод которого соединен с общей шиной, при этом вторая клемма для подключения объекта измерения и второй вывод образцовой меры сопротивления соединены с входом блока автоматического уравновешивания, выходы которого соединены с входами управления образцовой меры сопротивления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены последовательно соединенные ключ и дополнительная

образцовая мера сопротивления, регистр результата, вычислительный блок, блок управления, состоящий из последовательно соединенных тактового генератора и счетного триггера, при этом второй вывод ключа

соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, второй вывод дополнительной образцовой меры сопротивления соединен с общей шиной, управляющий вход ключа соединен с первым выходом

блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом вычислительного блока, выходы блока автоматического уравновешивания соединены с информационными входами вычислительного блока и регистра результата, вход записи которого соединен с первым выходом блока управления, выход регистра результата соединен с вторым входом вычислительного блока, выход которого соединен с

входом цифрового отсчетного блока.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения комплексных электрических сопротивлений. Цель - повышение точности измерения. Устройство содержит масштабирующий усилитель 1, блок 3 автоматического уравновешивания, образцовую меру 4 сопротивления, генератор 5, регистр 6 результата, вычислительный блок7, блок8управления, ключ 9, дополнительную меру 10 сопротивления, цифровой отсчетный блок 11. Точность повышается на 2-3 порядка. 2 ил.

Фиг.1