Способ автоматического выбора измеряемых параметров комплексного сопротивления в универсальных экстремальных мостах переменного тока Советский патент 1980 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, точнее к измерению параметров комплексных сопротивлений.

Известен способ автоматического выбора измеряемых параметров комплексного сопротивления, заключающийся в том, что первоначально суммируют ток объекта измерения с периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, квадратурным по отношению к

напряжению на объекте изметзения, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модуляционного тока определяют, в каком из двух квадрантов полуплоскости расположен вектор Toka объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления, а затем суммируют тот объект измерения с другим периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, вектор которого перпендикулярен линии раздела двух секторов квадранта, выбранного ранее и по знаку приращения.амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модулированного тока определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составля-. ющей измеряемого сопротивления (l).

Недостаток : известного способа заключается в том, что неточность установки фазового сдвига модуляционного тока на втором этапе выбора измеряемых параметров (определение секторов, в каком находится вектор тока объекта измерения) приводит к появлению довольно широкой зоны, в которой выбор измеряемых параметров может быть произведен неправильно.

Целью изобретения является повышение точности выбора измеряемых параметров. Эта цель достигается тем, что при определении сектора, в котором находится вектор тока объекта измерения, суммируют этот ток с другим периодически изменяющим фазу на 90° модуляционным током, вектор которого направлен под углом ±135 к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при изменении фазы модуляционного тока на 90 определяют, в каком из , двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. определяют

характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления. При этом модуляционный ток формируют с амплитудой в раз меньшей амплитуды тока объекта измерения.

Выбор измеряемых параметров комплексного сопротивления предлагаемым способом производится в два этапа. На первом этапе определяют, в каком из двух квадрантов комплексной полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют

характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления. На втором этапе определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления.

На фиг. 2 представлена векторная диаграмма первого этапа выбора измеряемых параметров по предлагаемому способу} на фиг. 3 - векторная диаграмма второго этапа выбора измеряемых параметров по предлагаемому способу; на фиг. 1 - блок-схема экстремального моста, реализующего предлагаемый способ выбора измеряемых параметров комплексного сопротивления .

На первом этапе выбора измеряемых параметров ток 1 модулируют током

л1,, направленным перпендикулярно вектору питающего напряжения 11. При этом модуль суммарного вектора будет зависеть от взаимного расположения векторов и, 1х, ul. Как видно из фиг. 2 для взятого в качестве примера вектора 1 суммарный вектор, М Ixi+UI, меньше, нежели суммарный вектор ,. Это свидетельствует о том, что вектор 1 расположен

в левом квадранте. Для вектора TXII который расположен в правом квадранте, имеет место обратное соотношение: . Равенство суммарных токов имеет место только при совпадении

векторов U и 1х. Таким образом, модулируя ток ,( током &I, и анализируя знак приращения амплитуды сзгммарного сигнала при +л1, и -ul,, можно определить, в каком из двух квадрантов полуплоскости лежит ток I.

На втором этапе определяют, в каком из двух секторов найденного квадранта находится вектор тока объекта измерения I,;, т.е. какая составляюща сопротивления - активная или реактив ная - преобладает. Для этого ток объекта измерения 1 модулируют. Модуляция в этом случае заключается в том, что с вектором 1 суммируют дру гой - модуляционный - вектор тока, направленный под углом tl35° к линии раздела двух секторов ранее выбранно го квадранта, и в процессе модуляции периодически изменяющий фазу на 90°. Как видно из фиг. 3 для взятого в качестве примера вектора 1 суммар ный, вектор )+IJ больше по модулю, нежели суммарный вектор . Это свидетельствует о том, что вектор расположен внутри И сектора. Если бы вектор 1)( был внутри I сектора, to имело бы место соотношение . При вектор Ijj, очевидно, совпада ет с линией раздела I и II секторов. Аналогично производится определение сектора для правого квадранта, примером служит ток 1x11: при , векто 1 находится в секторе IV, при .в секторе III, при - совпадает с границей раздела III и IV секторов. Таким образом, по знаку прираще ния амплитуд суммарного тока при изменении фазы модуляционного тока на 90 можно судить о том, в каком из секторов находится вектор тока объек та измерения, т.е. судить о характере преобладающей составляющей комплексного сопротивления. Отличительная особенность предлагаемого способа заключается в том, что при модуляции вектора тока объекта измерения модуляционным током, вектор которого направлен1. под углом ±135° к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта, и в процессе модуляции периодически изменяющий фазу на 90 ,зона неопреде ленности, в которой возможно неправильное определение сектора комплекс ной полуплоскости, резко сужается. Если же амплитуда модуляционного тока в тГЗ раз меньше амплитуды тока объекта измерения, то зона неопределенности будет минимальной. Покажем это. С этой целью проанализируем, ка влияет на ширину зоны неопределенности погрешность формирования модуляционных токов. Будем считать, что амплитуда модуляционного тока в -i2 раз меньше амплитуды тока объекта измерения. Формирование модуляционных токов Ifj и 1„, сдвинутых по фазе на 90°, не представляет трудности. Более трудной задачей является обеспечение равенства амплитуд этих токов. Поэтому рассмотрим, как будет влиять на точность определения сектора комплексной полуплоскости неравенство амплитуд модуляционных токов 1 и 1. Пусть вектор тока объекта измерения 1 (см. фиг. 3) совпадает с линией раздела ОБ сектора I и II. При равенстве 1 и 1 имеет место соотношение , т.е. приращение амплитуды суммарного тока при измерении фазы модуляционного тока на 90° равно нулю. Если один из модуляционных токов больше другого на величину , (в нашем примере 1, по модулю больше l на величину ul) то . Это приводит к появлению ложного приращения амплитуды разностного тока Л1, . Из треугольника образованного векторами L, ul и L, (фиг. 2) нетрудно определить величину этого приращения ,-К I(SIJ где I, - относительное неравенство амплитуд модуляционных токов 1 и 1. С другой стороны, отклонение вектора тока объекта измерения от линии раздела секторов на угол лср при равенстве амплитуд модуляционных токов приводит к появлению модуляционного приращения амплитуды сз ммарного тока л1дд величина которого, как нетрудно показать равна: Д1„ 21мйсг Очевидно, определение сектора, внутри которого находится вектор тока объекта измерения 1, может быть верным и в случае, если полезное приращение амплитуды суммарного тока больше ложного. Приравняв величины полезного и ложного приращений амплитуды суммарного тока можно определить ширину зоны неопределенности (т.е. зоны, в которой сектор комплексной полуплоскости может быть определен неверно). . (51м) Из этого выражения видно, что зона неопределенности является вели57чиной второго порядка малости по сра нению с относительным неравенством амплитуд модуляционных токов 1„. По1этому она существенно уже аналогичной зоны при выборе измеряемых параметров известным способом. Приведем количественное сравнение ширины зон неопределенности при выборе измеряемых параметров известным и предлагаемым способом. Допустим, что на втором этапе выбора измеряемых параметров известным способом модуляционный ток формируется при помощи цепочки из параллельно соединенных конденсатора и резистора подобранных так, чтобы на номинальной рабочей частоте их сопротивления были одинаковы. Если рабочая частота моста изменится на са, то изменится и фаза модуляционного тока на величи ну , равную ЬЦ г ОМ Такой же по величине будет и шири на зоны неопределенности, в которой выбор измеряемых параметров будет произведен неправильно. Допустим, что на втором этапе выбора измеряемых параметров предлагаемым способом дпя формирования модуляционных токов используются те же конденсатор и резистор, поочередно подключаемые в процессе модуляции к источнику напряжения. Если при этом изменится рабочая частота моста на величину ScJ, то появится неравенство амплитуд модуляционных токов I и 1, относительное значение которого равно . При этом, как бьшо показано выше, ширина неопределенности при выборе измеряемых параметров предлагаемым способом utf 7 (). Предположим, что относительная не стабильность частоты генератора со li.. Тогда ширина зоны неопределенности при быборе измеряемых параметров известным способом составят 0,5 10 радиан, а при выборе измеряемых параметров предлагаемым способом 0,25-10 радиан. Таким образом, при использовании предлагаемого способа ширина зоны неопределенности уменьшается по сравнению с аналогичной зоной при использовании известного способа в 200 раз. Необходимо отметить, что-при несоблюдении соотношения амплитуд токо ,/Ч при выборе измеряемых параметров предлагаемым способом ширина зоны неопределенности несколько возрастает, однако остается существенно меньшей аналогичной зоны при выборе измеряемых параметров известным спо собом. На фиг. 1 приведена схема моста, иллюстрирующая пример реализации предлагаемого способа. С питающего генератора 1 напряжение рабочей частоты подается на первичную обмотку трансформатора напряжений 2 мостовой цепи. С плечевой обмотки 3 этого трансформатора сигнал поступает на объект измерения 4 и далее на обмотку 5 индуктивного компаратора токов и через переключатель 6 на преобразователь 7 токов в напряжение. Через переключатель 8 с плечевой обмотки 3 трансформатора напряжения 2 сигнал поступает на управляемый элемент 9, питающий первичную обмотку трансформатора модулятора 10. С плечевой обмотки 11 напряжение поступает на остальные элементы измерительной цепи, условно обозначенные блоком 12 и служащие для уравновешивания моста после выбора измеряемых параметров. Эти элементы через переключатель 13 могут быть подключены к обмотке 14 компаратора токов. Модулятор 10 состоит из трансформатора напряжений и двух ключей 15 и 16, один из которых всегда открыт, а другой закрыт. Напряжение с модулятора 10 поступает на модуляционный элемент 17. Выходное напряжение управляемого элемента 9 поступает на модуляционный элемент 18. Токи, протекающие через модуляционные элементы 17 и 18, с помощью переключателя 19 через переключатель 13 могут подаваться в обмотку 14 KOMnapatopa токов. К указательной обмотке 20 компаратора .токов подключен экстремальньй детектор равновесия 21, являющийся по сути дела анализатором энака амплитудных приращений. Его выход через переключатель 22 может быть подключен либо к системе автоматического уравновешивания моста 23, либо к блоку коммутации 24 измерительной цепи при выборе измеряемых параметров. Входное сопротивление экстремального детектора равновесия 21 близко к нулю, благодаря чему компаратор токов работает в режиме короткого замыкания. 77 Мост работает следующим образом Первоначально переключатели 22, 13, 6 и 8, а также переключатель 19 находится в положении I. При этом через обмотку 5 протекает ток объекта измерения 4, Через обмотку 14 протекает модуляционный ток, вызванный периодически инвертирующимся напряжением модулятора 10, приложенным к элементу 17. Амплитуда МОДУЛЯ1Д1ОННОГО тока всегда в раз меньше амплитуды тока объекта измерения. С этой целью ток объекта измерения преобразуется преобразователем 7 в постоянное напряжение, поступающее на управляемый элемен(г 9, через который сигнал с обмотки 3 трансформатора напряжения 2 инвертируется и подается на трансформатор модулятора 10, Этим обеспечивается пропорциональность амплитуд модуляционного тока и тока объекта измерения. Очевидно, что этот модуляционный ток будет квадратурен по отношению к питающему объект измерения напряжению. На компараторе токов производится суммирование токов,результирующий модулированный ток из обмотки 20 поступает в анализатор приращений 21, с выхода которого сиг .нал подается на блок коммутации 24, производящий необходимую коммутацию в измерительной цепи для работы в том или ином квадранте. Так происходит первый этап выбора измеряемых параметров. На втором этапе выбора измеряемых параметров модулятор 10 затормаживается (в соответствии с результатом выбора на первом этапе открыт либо ключ 15, ли бо ключ 16), а модуляция производится периодически переключением переключателя 19, При этом фаза модуляционного тока изменяется периодиче ки на 90°, Пусть на первом этапе было установлено, что 1 находится в левом квадранте (l и IT секторы), на втором этапе при этом модулятор 10 заторможен в положении: ключ 15 закрыт, а 16 - открыт. Очевидно, что модуляционный ток, вызванный напряже нием модулятора 10, приложенным к элементу 17, отстает на 90° от напряжения, питающего объект измерения (направлен по линии ОЕ, см, фиг, З), При переключении переключателя 19 в положение 2 модуляционный ток, вызванный выходным напряжением регулирующего элемента 9, приложенным к элементу 18, противофазен напряжению питания объекта измерения. Если же модулятор заторможен в положении: ключ 15 - открыт,.а 16 - закрыт,то модуляционный ток в положении I переключателя 13 будет направлен по линии ОА (фиг, 3), Таким образом, на втором этапе выбора измеряемых параметров при периодическом переключении переключателя 19 модуляционный ток периодически изменяет фазу на 90 , На компараторе токов производится суммирование токов. Суммарный ток на обмотки 20 опять поступает на анализатор приращений 21, который подает в блок 24 вторую команду - с выбора сектора. На этом выбор измеря емых параметров заканчивается. Переключатели 22, 23, 6, 8 переводятся в положение 2, При этом преобразователь 7, управляемьш элемент 9, модулятор 10, модуляционные элементы 17 и 18 и блок коммутации 24 измерительной цепи при выборе измеряемых параметров 24 отключаются, а к обмотке 14 подключается блок 12 измерительной цепи 12, который до этого не участвовал в работе, К выходу экстремумдетектора подключается система уравновешивания 23, и производится уравновешивание измерительной цепи одним из известных способов. Как видно из приведенного описания, реализация предложенного способа несложна, при выборе измеряемых параметров могут использоваться многие элементы измерительной цепи и экстремальной системы уравновешивания моста. Если не поддерживать амплитуду модуляционного тока равной Iy/V2, то реализация предложенного способа намного упрощается.

Г}

(риг.1

X

1. СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫБОРА ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В УНИВЕРСАЛЬНЫХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МОСТАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, при котором первоначально суммируют ток объекта измерения с периодически инвертирующимся по фазе модуляционным током, квадратурньм по отношению к напряжению на объект измерения, и по знаку приращения амплитуды суммарного тока при инвертировании фазы модуляционного тока определяют, в каком из двух квадратов полуплоскости расположен вектор тока объекта измерения, т.е. определяют характер (емкостной или индуктивный) измеряемого сопротивления, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности выбора измеряемых параметров, при определении сектора, в котором находится вектор тока объекта измерения, суммируют зтот ток с другим периодически изменяющим фазу на 90° модуляционным током, вектор которого направлен под углом ±135° к линии раздела двух секторов ранее выбранного квадранта,и по- знаку приращения амплитуд суммарного тока при изменении фазы модуляционного тока i на 90 определяют, в каком из двух секторов находится вектор тока объексл та измерения, т.е. определяют характер преобладающей (активной или реактивной) составляющей измеряемого сопротивления. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модуляционный ток формируют с амплитудой в раз q меньшей амплитуды тока объекта изме9d Ю 4 рения . CO эо f%/r