Преобразователь комплексных сопротивлений и проводимостей в напряжение Советский патент 1993 года по МПК G01R27/26 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при контроле параметров конденсаторов и катушек индуктивности в широком диапазоне частот.

Известны устройства для преобразования комплексных сопротивлений в напряжение, состоящие из генератора синусоидального напряжения, операционного усилителя в инвертирующем включении, содержащего в цепи обратной связи образцовый резистор и измеряемый объект.

Недостатком известных устройств является самовозбуждение преобразователя при измерении параметров качественных катушек индуктивности и конденсаторов, поскольку операционная схема преобразователя представляет собой активный дифференциатор и, как известно, характеризуется недоста очным запасом устойчивости.

Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому устройству является операционный преобразователь.

состоящий из входных зажимов для подключения измеряемого объекта, образцового резистора, генератора синусоидального напряжения, двух переключателей и повторителя напряжения.

Недостатками известного устройства является низкая точность преобразования комплексного сопротивления или проводимости в напряжение. Функция преобразования в режиме измерения параметров комплексных сопротивлений Zx и комплексных проводимостей YX имеет вид

Ё

|

Ro + ZxKo

1

1 +RO YX

О)

Ur YxRoUr, (2)

где Ro сопротивление образцового резистора.

Приближенные равенства в уравнениях (1) и (2) представляют собой функцию преобразования идеальных преобразователей сопротивления и проводимости и выполняются соответственно при условиях

и R0«1/Yx.

Однако выполнение указанных условий приводит к резкому снижению чувствительности преобразователя. Следовательно, относительные погрешности преобразования известным устройством комплексных сопротивлений и проводимостей оцениваются выражениями

dz

Zx/Rc

1 + ZX/RO

dv Yx/Rc

1 +YX/RO

(3) (4)

Для обеспечения необходимой чувствительности на каждом из поддиапазонов измерения требуется, чтобы IZxl Ro и 1 / I Yx I RO. Поэтому в известном устройстве погрешность преобразования комплексных сопротивлений и проводимостей достигает 50%.

Цель изобретения - повышение точности преобразования комплексных сопротивлений и проводимостей.

Поставленная цель достигается тем, что в операционный преобразователь, содержащий два входных зажима для подключения измеряемого объекта, образцовый резистор, генератор синусоидального напряжения, повторитель напряжения и два переключателя, общий контакт первого переключателя соединен с первым входным зажимом преобразователя, а второй входной зажим одновременно соединен со входом повторителя напряжения и с первым выводом образцового резистора, второй вывод которого подключен к общему контакту второго переключателя, нормально разомкнутый контакт первого и нормально замкнутый контакт второго переключателей, а также генератор синусоидального напряжения соединены с общей шиной, введены два дифференциальных усилителя, причем выход генератора синусоидального напряжения подключен к неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя, выход которого соединен одновременно с нормально замкнутым контактом первого и нормально разомкнутым контактом второго переключателей, а также с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя, выход повторителя напряжения соединен с инвертирующими входами первого и второго дифференциальных усилителей, выход второго дифференциального усилителя является выходом устройства.

Существенным отличием является

коррекция сигналов в операционном преобразователе по алгоритму разработанному автором путем использования известных устройств (дифференциальных усилителей).

Это позволяет, как показано ниже, на несколько порядков повысить точность преобразования параметров комплексных сопротивлений и проводимостей. Использование предлагаемого устройства в приборостроительной промышленности позволит создать дешевые портативные измерители параметров CLR.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 - варианты построения

дифференциальных усилителей.

Преобразователь комплексных сопротивлений и проводимостей в напряжение содержит входные клеммы 1 для подключения измеряемого объекта 2, образцовый

резистор 3, генератор 4 синусоидального напряжения, повторитель 5 напряжения, первый 6 и второй 7 переключатели, первый 8 и второй 9 дифференциальные усилители. Выход генератора 4 подключен к неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя 8, выход которого связан одновременно с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя 9, с нормально замкнутым контактом первого

б и нормально разомкнутым контактом второго 7 переключателей, общие контакты первого 6 и второго переключателей соединены с одними из выводов соответственно измеряемого объекта 2 и образцового

резистора 3, вторые выводы которых связаны между собой и через повторитель 5 подключены к инвертирующим входам первого 8 и второго 9 дифференциальных усилителей, нормально разомкнутый контакт первого 6 и нормально замкнутый контакт второго 7 переключателей, а также генератор 4 - заземлены, выход второго дифференциального усилителя 9 является выходом устройства.

Рассмотрим вначале работу преобразователя в режиме измерения параметров комплексного сопротивления. В этом случае переключатели 6 и 7 находятся в положении Z. К делителю напряжения, образованному из измеряемого сопротивления Zx и образцового резистора R0, подключено выходное напряжение От первого дифференциального усилителя. Через измеряемый объект протекает ток

1 L)2 Zx + Ro Ro

(5)

где 1)2 - напряжение в общей точке соединения измеряемого объекта и образцового резистора.

Падение напряжения на измеряемом объекте равно

Ui-U2 lzZx .

Ко

(6)

Связь выходного U1 и входных напряжений Ur и U2 первого дифференциального усилителя 8, схема которого представлена на фиг.2, а, описывается выражением

Ui(1+K)UrKU2 (

(7)

где К - коэффициент усиления.

Выходное напряжение преобразователя соответствует разности напряжений на входах второго дифференциального усилителя 9 (См. схему на фиг. 2,6)

Ux Ui-U2.

(8)

Решая систему четырех уравнений (5), (6), (7), (8) с четырьмя неизвестными Ux, Ui, U2, Iz, получим уравнение преобразования

и( +ГтТк)

(9)

Погрешность преобразования комплек сного сопротивления предложенным уст ройством равна

--

1

Ro 1 +К

(10)

Для измерения параметров комплексной проводимости переключатели 6 и 7 переводятся в положение Y. К делителю напряжения, образованному из образцового сопротивления Ro. и измеряемой проводимости Yx, приложено напряжение Ui, при этом измеряемый объект находится под напряжением U2

1

Ro+1/Yx

U2YX,

(11)

где IY - ток через измеряемый объект.

Падение напряжения на образцовом резисторе равно

Ui-U2 lYRo.

(12)

Уравнение преобразования может быть получено путем решения системы уравне- ний (7), (8), (11). 02)

+

YxRo 1 +Ю

(13)

10

Погрешность преобразования комплексной проводимости предложенным устройством равна

(5Y«-YxRo/(1+K)

(14)

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Как следует из выражений (10) и (14), при коэффициенте передачи погрешности преобразования комплексных сопротивлений и проводимостей не превышают 0,1%. Таким образом, использование предложенного устройства позволяет на несколько порядков повысить точность измерения.

Формула изобретения Преобразователь комплексных сопротивлений и проводимостей в напряжение, содержащий два входных зажима для подключения измеряемого объекта, образцовый резистор, генератор синусоидального напряжения, повторитель напряжения и два переключателя, общий контакт первого переключателя соединен с первым входным зажимом преобразователя, а второй входной зажим одновременно соединен с входом повторителя напряжения и с первым выводом образцового резистора, второй вывод которого подключен к общему контакту второго переключателя, нормально разомкнутый контакт первого и нормально замкнутый контакт второго переключателей, а также генератор синусоидального напряжения соединены с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования комплексных сопротивлений и проводимостей, в него введены два дифференциальных усилителя, причем выход генератора синусоидального напряжения подключен к неинвертирующему входу первого дифференциального усилителя, выход которого одновременно соединен с нормально замкнутым контактом первого и нормально разомкнутым контактом второго переключателей, а также с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя, выход повторителя напряжения соединен с инвертирующими входами первого и второго дифференциальных усилителей, выход второго дифференциального усилителя является выходом устройства.

Использование: в измерителях параметров комплексных сопротивлений и проводимостей. Он содержит генератор 4 синусоидального напряжения, входные клеммы 1 для подключения измеряемого объекта 2, образцовый резистор 3, повторитель 5 напряжения, два переключателя 6, 7 и два дифференциальных усилителя 8, 9. С целью повышения точности используется коррекция сигналов в измерительной цепи. 2 ил.

Г

Ur

R

I

a

UФиг. 2. 5

Редактор

Составитель В. Хома Техред М.Моргентал

3

и.

к К

Ux

Корректор Е. Папп