Цифровой мост переменного тока Советский патент 1976 года по МПК G01N17/10 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может использоваться при построении быстродействующих цифровых мостов переменного тока.

Известен цифровой мост, содержащий источник питания, первый и второй детекторы равновесия, соединенные с уравновешивающими элементами, измерительную мостовую цепь, состоящую из трансформатора напряжения, компаратора токов, вспомогательного трансформатора и образцовых мер. Недостатком такого моста является относительно низкое быстродействие, обусловленное наличием модуляционных, пробных, воздействий, которые требуют дополнительных затрат времени.

Цель изобретения - повыщение быстродействия моста путем улучщения сходимости, развязки контуров и одновре ленного безмодуляционного уравновещиваиия измеряемых параметров.

Это достигается тем, что в предлагаемое устройство введены дополнительный компаратор токов, фазочувствительный детектор, вход которого связан с первым детектором равновесия, четырехполюсник с регулируемым элементом, связанным с выходом фазочувствительиого детектора, а также усилителем, вход которого подключен к выходу четырехполюсника, а выход - к образцовой мере, связаниой с

дополнительной обмоткой основного компаратора токов, включенной последовательно с плечевой обмоткой дополнительного компаратора токов, другая плечевая обмотка которого подключена к образцовой мере, связанной со вспомогательным трансформатором.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого цифрового моста.

Источник питания 1 подключен к генераторной обмотке По трансформатора напряжения 2, который содержит вторичные обмотки //гь /712 и т. Под действием напряжения обмотки т объект измерения 3 и обмотка /ii компаратора токов 4 обтекается током, возбуждаюндим в компараторе магнитный поток, иропорциональпый импедансу измеряемого объекта. Квадратурная составляющая этого потока уравновещивастся путем дискретной регулировки числа витков обмотки тг, питающей образцовую меру 5 и обмотку П2 компаратора токов 4. Синфазная составляющая компенсируется при помощи аналоговой системы автоматнческого регулирования 6, возбуждающей в компараторе токов 4 посредством дополнительной обмотки п магнитный поток синфазного характера, равный но амплитуде и противоположный по фазе синфазной составляющей магнитного потока, создаваемого ветвью измеряемого объекта. Пплиг одит

это следующил образом.

Результат взаимодействия масиитны.х потоков, создаваемых токами, обтекающими обмотки П, «2, П4, воспринимается индикаторной обмоткой Пз- Выходной ток этой обмотки при помощи входного устройства (преобразователя ток - напряжение) первого детектора равновесия 7 преобразуется в напряжение, которое в дальнейшем усиливается и подается раздельно на входящее в состав детектора равновесия устройство анализа приращений, возникающих при уравновеи ивании квадратурной составляющей, и на фазочувствительный детектор 8. К фазочувствительному детектору 8 подводится опорное напряжение, которое выбрано таким образом, что на выходе детектора 8 образуется напряжение постоянного гока, пропорциональное синфазной составляющей измеряемого импеданса. Это напряжение посредством регулируемого элемента 9 (например, оптроиа или полевого транзистора) управляет коэффициентом передачи четырехполюсника 10, выходное напряжение которого подводится к входу усилителя 11. Выход усилителя подключен к образцовой мере 12 (Ro), соединенной с дополнительной обмоткой /ц 1сомпаратора токов 4, вследствие чего последняя обтекается током синфазного характера.

В результате, при противоположной намотке обмоток rti и n, в компараторе токов 4 имеет место полная компенсация синфазной составляющей его магнитного потока. Так как дополнительная обмотка n компаратора токов 4 включена последовательно с обмоткой дополнительного компаратора токов 13, обмотка п обтекается одинаковым с обмоткой «4 током, благодаря чему при n n в дополнительном компараторе токов 13 возбуждается магнитный поток, по характеру и амплитуде равный потоку, создаваемому обмоткой n, а значит и синфазной стоставляющей потока, создаваемого обмоткой «1. Иначе говоря, синфазная составляющая магнитного потока, создаваемая в компараторе токов 4 ветвью измеряемого объекта, переносится в дополнительный компаратор токов 13. Здесь она уравновещивается при помощи ветви, состоящей из регулируемой обмотки /1 вспомогательного трансформатора 14, образцовой меры 15 (R) и обмотки я2 дополнительного компаратора токов 13.

Коммутация витков обмотки /i осуществляется уравновешивающим элементом 16, который управляется вторым детектором равновесия 17.

Коммутация витков обмотки т осуществляется при помощи уравновешивающего элемента 18, связанного с первым детектором равновесия 7.

Таким образом, в мосте образуются два независимых контура регулирования: контур регулирования квадратурной составляющей и контур регулирования синфазной составляющей, изменение измерительных состояний в каждом из них не приводит к появлению паразитных сигналов, т. е. они оказываются полностью развязанными и взаимно независимыми, благодаря чему уравновешивание мосга может осуществляться одновременно и безмодуляционным способом. Линии уравновещивания такой мостовой цепи в достаточной степени ортогональны.

Сказанное вытекает из условия равновесия моста с учетом особенностей входящих в его состав узлов и их связей. Для ветви измеряемого объекта предлагаемого цифрового моста можно записать

(1)

,

tnaZx

где Win, - ампер-витки ветви;

Uf-напряжение источника питания 1;

Z ,.- измеряемый импеданс. В случае измерения по параллельной схеме замещения компонентов измеряемого импеданса он может быть представлен в виде

Z-(2)

1 -Ь/(оСд-/,/

где C. и R. -компоненты измеряемого импеданса;

0) - круговая частота.

С учетом (2) выражение (1) запишется следующим образом

,,„ i/rn,rt|1

+ (x). (3)

lv/n,

тоRXто

Ампер-витки, характеризующие квадратурную составляющую со стороны ветви сравнения, определяются выражением

WICo .

(4) то

40 Сопоставляя (4) и второй член правой части уравнения (3), получают

гПгПг

(5)

Со, mini

45 откуда видно, что прямой отсчет по емкости обеспечивается регулировкой числа витков обмотки Ш2.

Выражение, характеризующее состояние равновесия по синфазной составляющей, наgQ ходят путем анализа работы аналоговой системы автоматического регулирования. Воспользуемся выражением для ампер-витков индикаторной обмотки «3 компаратора токов 4

r/«3 WM, - (W/n4 + WInz).(6)

Переходя к токам, а также учитывая, что система автоматического регулирования реагирует только на синфазную составляющую магнитного потока компаратора 4, при «i «4 получают

(7)

/пз ffT-i - .

Ток /«4 можно представить как результат воздействия выходного напряжения усилите65 ля И на образцовую меру 12 (о), т. е. (8) где t/вых - выходное напряжение четЕлрехполюсника 10. В свою очередь можно представнть в виде a ylnzkik2. где а - коэффициент, учитывающий передаточную функцию четырехполюсника 10; Р - коэффициент, учитывающий крутизну регулировочной характеристики элемента 9; -у - коэффициент передачи фазочувствительного детектора 8; kikz - коэффициенты усиления усилителя 11 и усилительного тракта первого детектора равновесия 7. Подставляя далее (9) в (8), получают /rt4 ,(10) коэффициент, учитывающий передаточные функции аналоговой системы автоматического регулирования. Подставляя (10) в (7) и решая (7) относительно , получают kjk.Q , /«1 1 -I- Из выражения (12) видно, что токи In и Ini могут быть достаточно близки друг другу. Папример, при 1 2 10000 и Q l (что выполняется практически без особых затруднений), разница между этими токами составляет всего лищь 0,01%, так как имеет место довольно полная компенсация. Так как обмотки «4 и nl (дополнительный компаратор токов 13) обтекаются одним и тем же током, то при n - n для ампер-витков WInj с учетом (3) можно записать WIfii (1 -f i/tjQ) Ветвь сравнения дополнительного контура регулирования (контур регулирования синфазной составляющей) описывается выражением UrmJiiii Win2 Сравнивая (14) и (13), получают п milzR-. mjL,n( Ч- й.йгР) 40 45 50 55 (14) 60 где /2 - об.мотка трансформатора И. Имея в виду, что выбранная для примера измерительная цепь предлагаемого цифрового моста имеет параллельную схему замещения компонентов измеряемого объекта, для которойtg6., -Лг-.(16) пользуясь (15) и (5), находят i114- tg6. A. 1+), - /2 соСо Лktk,Q / погрешность измерения, определяемая статизмом аналоговой системы автоматического регулирования, значение которой при указанных выще величинах коэффициентов и, kz и Q исчезающе мало. Прямой отсчет 1§бд-, как это следует из (17), обеспечивается регулировкой числа витков обмотки /1 вспомогательного трансформатора 14. Форм у л а и 3 о б р е т е н и я Цифровой мост переменного тока, содержащий источник питания, первый и второй детекторы равновесия, соединенные с уравновещивающими элементами, измерительную мостовую цепь, состоящую пз трансформатора напряжения, компаратора токов, вспомогательного трансформатора, образцовых мер, отличающийся тем, что, с целью повыщения быстродействия моста путем улучщения сходимости, развязки контуров и одновременного безмодуляционного уравновешивания измеряемых параметров, он снабжен дополнительным компаратором токов, фазочувствительным детектором, вход которого связан с первым детектором равновесия, четырехполюсником с регулируемым элементом, связанным с выходом фазочувствительного детектора, а также усилителем, вход которого подключен к выходу четырехполюсника, а выход - к образцовой мере, связанной с дополннтельной обмоткой основного компаратора токов, включенной последовательно с плечевой обмоткой дополнительного компаратора токов, другая плечевая обмотка которого подключена к образцовой мере, связанной со вспомогательным трансформатором.

L ;--::J

1 -/ HI N-.., - f

V ti- E:-i::..

//f-ir:

/-VY-,

rw

/;,

t

П

J