Устройство для измерения электрических величин Советский патент 1979 года по МПК G01R27/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к универсальным приборам, измеряющим постоянные, импульсные, переменные напряжения и со противления. Известно устройство для измерения электрических величин, содержащее блок сравнения, генератор стабильной частоты счетчик и генератор линейно-изменяюшегося напряжения l. Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и сравнительно низкая точность измерения. Известно устройство, содержащее бло сравнения, генератор высокой частоты, генератор линейно-изменяюшегося напряжения и счетчик 2. Недостатками этого устройства являются возможность измерения только сопротивления, сложность конструкции и сравнительно низкая точность. Цель изобретения - повышение точнос ти и расширение функциональных возмож ностей за счет изменения напряжения различной формы. Для этого предлагаемое устройство, содержащее генератор высокочастотного напряжения, счетчик импульсов и генератор линейно-изменяющегося напряжения, снабжено радиочастотным преобразователем, переключателем с четырьмя коммутационными элементами и RC -фильтром, причем выход генератора высокочастотного напряжения подключен к первому входу радиочастотного преобразователя,, первый выход которого через фильтр соединен с входом генератора линейно-изменяюшегося напряжения, второй вход радиочастотного преобразователя через входные клеммы для подключения исследуемых резисторов, зашунтированные нормально замкнутым первым коммутационным элементом переключателя, подсоединен к первому выходу генератора линейно-изменяюшегося напряжения, второй выход генератора пинейн{ изменяющегося напряжения соединен через нормально замкнутый второй коммутационный элемент переключателя к третьему входу радиочастотного преобразователя, а через нормально разомкнутый третий коммутационный элемент переключателя- к входной 1 клемме-для попключения исследуемых напряжений, другая клемма соединена с третьим входом радиочастотного преобразователя, второй выход ко торого через нормально разомкнутый четвертый коммутационный элемент переклю чателя подключен к входу счетчика импульсов, все коммутационные элементы переключателя механически связаны. Радиочастотный преобразователь выполнен на биполярном транзисторе, коллектор и база которого соединены через последовательно включенные первые конденсатор и резистор, а эмиттер и база последовательно соединены через перемен ный резистор и параллельно включенные индуктивность и Второй конденсатор, база биполярного транзистора через диод обра зует второй выход преобразователя, первый вход преобразователя - общая точка соединения первого резистора и первого конденсатора, второй вход и первый выхо соответственно эммитер и коллектор бипо лярного транзистора, а третий - общая точка соединения переменного резистора и индуктивности. Сущность изобретения заключается в том, что устройство снабжено радиочастотным преобразователем, питаемым гене JiaTOpOM высокочастотного напряжения, причем управляемый генератор линейноизменяющегося напряжения и источник измеряемого напряжения подключены к входной эмиттерной цепи преобразователя его управляющая коллекторная выходная цепь через фильтр соединена с входом ге нератора линейно-изменяющегося напряже ния, а выход преобразователя связан с i входом счетчика; в режиме изменения со противления измеряемое сопротивление включается в цёпь.сб единяюшую выход генератора линейного напряжения и вход преобразователя. На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - частотная характеристика преобразователя. Устройство для измерения электрических величин состоит из генератора высокочастотного напряжения 1; счетчика импульсов 2; генератора 3 линейно-изменяющегося напряжения; радиочастотного преобразователя 4 с входящим в него бипоаярным транзистором 5, первым 6 и 6 114 вторым 7 конденсаторами, первым резистором 8, переменным резистором 9, индуктивностью 10 и диодом 11; фильтра 12 с входящим Б него фитрующим конденсатором 13, резистором 14 и конденсатором 15,- клеммы для подключения исследуемых напряжений 16 и резисторов 17; переключателя 18с четырьмя коммутационными элементами 19-22. Устройство работает следующим образом. При включении генератора 1 напряжение подается на преобразователь. Если его величина выще порога отпирания транзистора 5, а частота колебаний входит в полосу пропускания контура 10,7, то транзистор 5 отпирается. В момент отпирания транзистора входное сопротивление транзисторного каскада становится нелинейным, причем составляющими его компонентами являются отрицательное акти.вное сопротивление, нелинейная емкость и нелинейная индуктивность. Отрицательное входное сопротивление значительно увеличивает добротность контура, что ведет к еще больщему увеличению входного сигнала и отпиранию транзистора. Нелинейные индуктивность и емкость, включаясь параллельно в контур 7,10, деформируют частотную характеристику (см. фиг. 2, где 5 - частотная характеристика контура до отпирания транзистора 5, а И IJ частотные характеристики контура после отпирания транзистора). Частоту настройки контура , выбирают равной частоте f напряжения, генерируемого генератором 1, т. е. { (см. фиг. 2). Изменяя величину резистора 9, добиваются такого режима работы преобразователя, чтобы полоса пропускания была минимальной, но не равной нулю (см. фиг. 2, характеристика Д ), при условии, что в генераторе 3 произ- ведён сброс и выходное напряжение U и О. Процесс измерения разделяется на два этапа: установку нулевой точки щкалы и изменение электрической величины. Установка нулевой точки щкалы начинается с подачи импульса пуск на генератор 3. В этот момент начинается увеличение компенсационного напряжения 1Г|/ имеющего полярность, указанную на фиг. 1. Увеличение запирающего напряжения ведет к уменьщению полось: пропусКания характеристики до нуля (характеристикаТ). Как только полоса пропускания станет равной нулю, напряжение на 568 контуре уменьшается с U до J и транзистор 5 запирается. В этот момент в ре зультате параметрического эффекта на коллекторе образуется отрицательный импульс, который, проходя через фильтр 12, поступает на вход генератора линейноизменяющегося напряжения и останавливеет рост линейного напряжения Оц,Установленное напряжение Uj является начальным напряжением, характеризующим нулевую точку шкалы измеряемой величины (сопротивления или напряжения) Перед измерением сопротивления 1 подключенного последовательно во вход- ную цепь преобразователя, осуществляется сброс счетчика 2, и затем размыкаются шунтирующие контакты 19. Наличие измеряемого сопротивления R уменьшает отрицательный потенциал Л« на эмиттере транзистора 5, он отпирается, полоса пропускания контура расширяется (см. фиг. 2, характеристика IV ), и напряжение на контуре возрастает от Ug до IT, . Положительный параметрический импульс с коллектора транзистора запускает генератор 3, и начинается дальнейшее увеличение запирающего напряжения IJ, . В это время на счетчик 2 посту.пают счетные импульсы. Счет импульсов осуществляется до тех пор, пока дополнительно возросшее напряжение t3 , не уменьшит полосы пропускания до нуля (см. фиг. 2, характеристика i ) и не сор вет колебания на контуре с Vj до Ug. , В этот момент отрицательный параметрический импульс останавливает рост J , а счет импульсов счетчиком 2 прекращае ся. Число импульсов, прошедших в счетчи 2 за время измерения, пропорционально величине . Возможно параллельное подключение 1 резистора9 и тогда результат измерения пропорционале проводимости X Перец измерением напряжения U осу ществляются установка нулевой точки шкалы, сброс счетчика 2 и включение переключателя 18. Напряжение U) отпирае транзистор 5, полоса пропускания контур расщиряется (см. фиг. 2, характеристика IV ), и напряжение на контуре возрастает с VJj ДО { Положительный параметри ческий импульс запускает генератор 3, и U|t увеличивается. На счетчик 2 посту пают счетные импульсы. При измерении постоянного напряжения счет импульсов осуществляется до тех пор, пока дополнительно возросшее напряжение } не 16 станет равным U , чго соответствует срыву колебаний на и прекрашонию роста напряжения V . При измерении импульсного или переменного напряжения полоса пропускания преобразователя изменяется не только за счет изменения LJ, , но и за счет изменения в положительные полпериода напряжения Uj( . В связи с этим может оказаться, что за время действия импульса или Первого полпериода полной компенсации амплитуды не происходит, преобразователь отключается, прекращая рост Ui и счет импульсов. С приходом следующей положительной полуволны преобразователь включается, снова начинаются увеличение и счет импульсов и затем срыв колебаний, ос танов и 1 и т. д. Как только преобразователь прекращает срабатывать в положительные полпериода, амплитуда напряжения TJ оказывается равной напряжению и If и соответствует числу импульсов, прошедших на счетчик. Точность измерения устройства для измерения электрических величин значительно повышается, гак как вместо двух сравнивающих устройств и нескольких функциональных узлов оно снабжено одним многофункциональным преобразователем, что одновременно упрощает прибор. При этом функциональная схема такова, что сразу же за установкой нулевой точки шкалы следует процесс измерения Ц. или Uy причем установка нуля и компенсация в момент окончания измерения происходят при одном и том же напряжении, т. е. в одной и той же точке. Это позволяет исключить погрешность от изменения и нелинейности параметров всех элементов устройства. Так как сравнение и компенсация KV и Uy производятся в линейных цепях, шкала всего измерительноге устройства линейна в любом допустимом диапазоне измерения. Устройство измеряет сопротивления от единиц Ом до сотен и тысяч КОм без переключения диапазона. Динам-ический диапазон изме- ряемых напряжений U ограничен д жустимыми напряжениями на базе транзистора. Быстродействие устройств ограничивается лишь скоростью счета импульсов счетчиком, так как скорость срабатывания преобразователя напряжение-подосапачка импульсов как и любой параметрической системы, ограничивается несколькими десятками наносекунд. 7 Формула изобретени 1. Устройство для измерения электрических величин, содержащее генератор высокочастотного напряжения, счетчик импульсов и генератор линейно-изменяюшегося напряжения, о тличающее с я тем, что, с пелью повышения точности и расширения функциональных воэ можностей за счет изменения напряжения различной формы, оно снабжено радночастотиым преобразователем, переключателем с четырьмя механически связанными комму тационными элементами и RC-фильтром, причем выход генератора высокочастотного напряжения подключен к первому вхо ду радиочастотного преобразователя, первый .выход которого через фильтр соединен с входом генератора линейно-изменяю щегося напряжения, второй вход радиочастотного преобразователя через входные клеммы для подключения исследуемых резисторов, зашунтированные нормально замкнутым первым коммутационным элементом переключателя, подсоединен к первому выходу генератора линейно-изменяюшегося напряжения, второй выход генератора линейно-изменяющегося напряжения сседннен через нормально замкнутый второй коммутационный элемент переключате ля к третьему входу радиочастотного преобразователя, а через нормально разомкнутый третий коммутационный элемент пе реключателя - к входной клемме для подключения исследуемых напряжений, другая 411 клемма которого соединена с третьим входом радиочастотного преобразователя, второй выход которого через нормально р&зомкнутый четвертЬ1й коммутационный, элемент переключателя подключен к входу счетчика импульсов, все коммутационные элементы переключателя механически связаны. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а юш е е с я тем, что радиочастотный преобразователь выполнен на биполярном транзисторе, коллектор и база которого соединены через последовательно включенные первые конденсатор и резистор, а эмиттер и база последовательно соединены через переменный резистор и параллельно включенные индуктивность и второй конденсатор, база биполярного транзистора через диод образует второй выходпреобразователя, первый вход преобразователя - общая точка соединения первого резистора и первого конденсатора, второй вход и первый выход - соответственно эмиттер и коллектор биполярного транзистора, а третий вход - общая точка соединения переменного резистора и.индуктивности. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бутусов И. В. Измерительные информационные системы. Л., Недра, .1970, с. 265. 2.Авторское свидетельство СССР № 313174, кл. G 01 R 27/00, 27,05,70.