Цифровой мост переменного тока Советский патент 1980 года по МПК G01R17/10 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения составляющих комплексного сопротивления. Известен цифровой мост переменного тока, содержащий генератор синусо идашьного напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной цепи, вершина измерительной -диагонали которой, примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению подсоединена к первым входам первого и второго фазовременных преобразователей и к третьему входу третьег фазовременного преобразователя, первый и второй выходы которого подсоединены к первым входам третьего и четвертого интегратора соответственно, выходы которых подключены соответстве;нно к прямому и инверсному вх дам второго элемента ЗАПРЕТ, выход которого через блок уравновешивания по активной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подсоединен ко входу второго блока индикации вторая вершина измерительной диагонали подключена ко второму входу вто рого фазовременного преобразователя, выход которого подсоединен к вторым входам четырех интеграторов, вершина диагонали питания мостовой цепи, примыкающая к измеряемому комплексно сопротивлению, подсоединена к первому, входу дифференцирующей цепи и третьему входу первого фазовременного преобразователя, первый и второй выходы которого подключены к первым входам первого и второго интегратора соответственно, выходы которых подсоединены соответственно к прямому и инверсному входам первого элемента ЗАПРЕТ, выход которого через блок уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подключен ко входу первого цифрового индикатора, вторая вершина диагонали питания мостовой измерительной цепи подсоединена ко вторым входам дифференцирующей цепи первого и третьего азовременных преобразователей и к третьему входу второго фазовременного преобразователя, а выход дифференцирующей цепи -подключен к первому входу третьего Фазовременного преобразователя ll Недостатком данного устройства является низкое быстродействие, обусловленное тем, что в данном ци ровом мосте переменного тока время формирования одного регулирующего воздейстВИЯ превышает период питающего напряжения.

Известен также цифровой мост пере менного тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной цепи, первая вершина диа гоыгши питания которой, примыкающая к измеря.емоглу комплексному сопротивлению, подсоединена к первому входу (Первого Фазовременного преобразоватёля, вторая вершина диагонали пита- ния подключена к второму входу первог-о Фазовременного преобразователя и первому входу второго Фазовременного преобразователя, первая вершина измерительной диагонали, примыкаю щая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к третьим входам первого и третьего фазовремен ных преобразователей и второму входу второго Фазовременного преобразователя, -вторая вершина измерительной диагонали подсоединена к первому вхо.ду третьего Фазовременного преобразователя и третьему входу второго Фазовременного преобразователя, выход которого подсоединен ко вторым входа четырех интеграторов, первый и вто-рой выходы первого Фазовременного преобразователя подключены к первым входам первого и второго интеграторов соответственно, выход первого интегратора подсоединен к прямому входу первого элемента ЗАПРЕТ, инверсный вход которого подключен к выходу второго интегратора, выход первого элемента ЗАПРЕТ через блок уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подсоединен к первому блоку индикации, первый и второй выходы третьего Фазовременного преобразователя подключены к первым входам соответственно третьего и четвертого интеграторов, выходы которых подсоединены соответственно к прямому и инверсному входам второго элемента ЗАПРЕТ, выход второго элемента ЗАПРЕТ через блок уравновешивания по тенгенсу угла потерь измеряемого комплексного сопротивления подключен к входу второго блока индикации f2j.

Недостатком данного цифрового моста перменного тока являются низкие быстродействие и точность, что обусловлено двухканальной структурой трактов формирования регулирующих воздействий (наличие двух интеграторов ) .

Целью изобретения является повышение быстродействия измерения.

Поставленная цель достигается тем что в цифровой мост переменного гока, содержат;:Гг генератор синусоидального напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительНой-цепи, первая вершина измеритель.ной диагонали которой, примыкающая

к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первым входам первого и второго фазовременных преобразователей и третьему входу третьего Фазовременного преобразователя, первый вход которого подсоединен к первой вершине диагонали питания, примыкающей к измеряемому комплексному сопротивлению, вторая вершина диагонали питания, не п римыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к третьему входу первого Фазовременного преобразователя и второму входу второго фазовре leHHoro преобразователя, вторая измерительной диагонали, не примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к второму входу третьего Фазовременного преобразователя, два интегратора и два блока уравновешивания, выходы которых подсоединены к входам соответствующих блоков индикации, введены два блока управления, четыре ключа, два блока обработки сигналов, причем первая вершина измерительной диагонали подсоединена к третьим входам блоков управления, вторая вершина измерительной диагонали подсоединена к вторым входам первого фазовре менного преобразователя и блоков управления, первая вершина диагонали питания подсоединена к третьему входу второго Фазовременного преобразователя и первому входу второго блока управления, вторая вершина диагонали питания подсоединена к первому входу первого блока управления, первые и вторые выходы первого и третьего фазовременных преобразователей через информационные входы-первого и второго, третьего и четвертого ключей подсоединены соответственно к первым входам первого и второго интеграторов, вторые входы которых подсоединены к выходу второго Фазовременного преобразователя, первые выходы первого и второго блоков управления подсоединены к управляющим входам соответственно первого и третего ключей и первым входам соответствующих блоков обработки сигналов; вторые входы которых подсоединеньа . соответственно к выходам первого и второго интеграторов, вторые выходы первого и второго блоков управления родсоединены соответственно к управляющим входам второго и четвертого ключей, выходы блоков обработки сигналов подсоединены к входам соответствующих блоков уравновешивания.

Блок управления содержит блок фор мирования импульсов,, усилитель-ограничитель, элемент И, элемент ЗАПРЕТ, RS-триггер,. причем первый вход блока управления подсоединен к- первому входу блока формирования импульсов, второй вход блока управления подсоединен к второму входу блока формирова:ния импульсов и первому входу усили теля-ограничителя, третий вход блок управления подсоединен к второму вхо ду усилителя-ограничителя,выход кото рого подсоединен к инвертирующему входу элемента ЗАПРЕТ и второму вхо ду элемента И, выход блока формирования импульсов подключен к прямому входу элемента ЗАПРЕТ и первому вхо ду элемента И, выходы элементов И и ЗАПРЕТ подсоединены соответственно к S- и R-входам триггера, прямой и инверсный выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму выходам блока управления. Формирование регулирующего воздействия для уравновешивания мостовой измерительной цепи по реактивной составляющей позволяет повысить быстродействие, так как длительность сравниваемых сигралов, пропорциональ ных фазовым углам, не превышает поло вины периода напряжения питания мос товой измерительной цепи. Аналогично повьЕиается быстродействие формирова ния регулирующего воздействия для уравновешивания мостовой измерительной цепи по тангенсу угла потерь. На фиг. 1 дана блок-схема предла гаемого цифрового моста; на фиг. 2 ч 3 - типографические диаграммы проц са уравновешивания мостовой измерительной цепи по тангенсу угла потер и по реактивной составляющей измерл емого комплексного .сопротивления со сответственно,- на фиг. 4 - блок-схе ма блока управлэния; на фиг. 5 и б - временные диаграммы, поясняющие работу цифрового моста переменного то ка. Блок-схема цифрового моста содер жит мостовую измерительную цепь 1, у которой 2 - образцовый элемент, служащий для выбора предела измерения, 3 и 4 - измеряемое комплексное сопротивление, 5 - образцовый нерегулируемый элемент, б - регулируемый элемент, служащий для уравновешивания по тангенсу угла потерь, 7 - регулируемый элемент, служащий для уравновешивания по реактивной состав ляющей, генератор 8 синусоидального напряжения, фазовременные преобразователи (ФВП) 9-11, блоки управления 12 и 13, ключи 14-17, интеграторы 18 и 19, блоки обработки сигналов 20 и 21, блоки уравновешивания 22 и 23, блоки индикации 24 и 25, причем генерат.ор 8 синусоидального напряжения включен в диагональ питания аЬ мостовой измерительной цепи 1. Вершина диагонали питания а мостовой измерительной цепи 1, не примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению 3, 4, подсоединена к третьему входу ФВП 9, первому входу блока управления 12 и второму входу ;ФВП 10. Другая вершина диагонали питания Ь подключена к третьему вХоду ФВП 10 и первым входам блока управления 13 и ФВП 11. Первая вершина с измерительной диагонали cd, npHNttjкающая к измеряемому комплексному сопротивлению 3, 4, подсоединена к первым входам ФВП 9, 10 и к третьим входам блоков управления 12, 13, ФВП 11. Вторая вершина d измерительной диагонали cd подсоединена к вторым входам ФВП 9, 11, блоков управления 12 и 13. Г;ервый и второй выходы ФВП 9 через ключи соответственно 14 и 15 подсоединены к первому входу интегратора 18, второй вход которого подключен к ФВП 10 и второму уходу интегратора 19. Первый выход блока управления 12 подсоединен к управляющему входу ключа 14 и первому входу блока обработки сигналов 20. второй вход которого подключен к выходу интегратора 18. Второй выход блока управления 12 подсоединен к управляющему входу ключа 15. Первый и второй выходы ФВП 11 через ключи соответственно 16 и 17 подсоединены к первому входу интегратора 19, выход которого подключен к второму нходу блока обработки сигналов 21. Пергый выход блока управления 13 подсоединен к управляюа1ему входу ключа 16 и первому входу блока обработки сигналов 21. Второй выход блока управления 13 подключен к управляющему входу ключа 17. Выходы блоков обработки сигналов 20 и 21 через соответствующие блоки ураЕновешивания 22 и 23 подключены к входам блоков индикации 24 и 25 соответственно. Часть блок-схе.1к (фиг. 1), содержащая ФВП 9 и 10. блок управления 12, ключи 14 и 15, интегратор 18, блок обработки сигналов 20, блок уравновешивания 22 и блок индикации 24, является трактом формирования регулирующих воздействий по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления. Тракт формирования регулирующих воздействий по тангенсу угла потерь измеряемого комплексного сопротивления содержит ФВП 10 и 11, блок управления 13, ключи 16 и 17, интегратор 19, блок обработки сигналов 21, блок уравновешивания 23 и блок индикации 25. ФВП 10 является общим для обоих трактов формирования регулирующих воздействий. Блоки управления 12 и 13 аналогичны (фиг. 4), каждый из них содерит блок формирования импульсов 26, силитель-ограничитель 27, элемент И 28, элемент ЗАПРЕТ 29, RS-триггер 30, причем первый вход блока управлеия 12(13) подсоединен к первому вхоу блока формирования импульсов 26, торой вход которого подключен к втоому входу блока управления 12(13). Первому входу усилителя-ограничиеля 27. Второй вход усилитсля-ограничителя 27 подключен к третьему входу блока управления 12(13). Выход блока формирования импульсов 26 подсоединен к первому входу элемента И 28 и прямому входу элемента ЗАПРЕТ 29. Выход усилителя-Ограничителя 27 подсоединен .к второму входу элемента И 28 и иьяерсному входу элемента ЗАПРЕТ 29. Выходы элементов И 28 и ЗАПРЕТ 29 подключены соФтветствен1-:э к S- и R-вхоцам RS-триггера 30. Прямой и инверсный выходы триггера 30 подсоединены к первому И второму выходам блока управления 12(13).

Сущность процесса уравновешивания можно пояснить с помощью фиг. 2, 3, 5 и 6, где аЬ -.вектор напряжения питания мостовой измерительной цепи, cd - вектор напряжения небаланса мостовой измерительной цепи, ас - вектор напряжения, снимаемого с плеча мостовой измерительной цепИ; в которое включен образцовый элемент 2, служащий для выбора пределов измерения, ad - вектор напряжения, снимаемогО с плеча мостовой измеригельной цепи, в которое включен регулируе у1ый элемент 7, уравнозешива с«и.1й мостовую измерительную цепь по реактивной составляющей, db - вектор напряжения, снимаемого с плеча мостовой цепи, в которое включены образоцовый irepeтулируемый элемент 5 и регулируемый элемент 6, V - Фазовый сдвиг вектора падения напряжения на образцовом элементе, расположенном в плече ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление ас относительно вектора напряжения питания мостовой измерительной цепи аЬ, Ч - фазовый сдвиг вектора напряжения небаланса относительно вектора падения напряжения на регулируемом элементе ad, -vy - фазовый сдвиг вектора напряжения небаланса относительно вектора падения напряжения на образцовых элементах db, Q - фазовый сдвиг вектора напряжения небаланса относительно инвертированного вектора падения напрях-сения на регулируемом элементе ad, 8 - фазовый сдвиг вектора напряжения небаланса относительно инвертированного вектора падения Напряжения на образцовых элементах db, ci, PJ- окружности квазиравновесия мостовой измерительной цепи в обобщенных обозначениях, с - потенциальная точка, вершина ветви мостовой измерительной цепи, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, d - потенциальная точка вершина ветви мостовой измерительной цепи, не содержащей измеряемого комплексного сопротивления.

Состояние квазиравновесия моста по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления фик:сируется в .момент выведения потенциальной точки d на окружность fi ,

проходящую через потенциальную точку с. Состояние квазиравновесия по тангенсу угла потерь в момент выведения потенциальной точки d на окружность сС, проходящую через потенциальную точку с. При Одновременном изменении параметров, уравновешивающих мостовую измерительную цепь по реактивной составляющей и тангенсу угла потерь,, потенциальная точка d может оказаться в любом месте 1:ругозой диаграммы. Вся площадь круговой диаграммы разбита на четыре зоны, образованные линией переключения совпадающей с вектором напряжения и„ и окружностью квазиравновесия Э , ripsходящей через точку с, при уравкове.цивании мостовой цеэпи, например, по реактивной составляющей (фиг. 3) и четыре зоны, образованные линией переключения совпадающей с вектором яапряжения j, и окружностью квазиравновесия ot , проходящей через точку с при уравновешивании,, например, по тангенсу угла потерь (Ьиг. 2).

Из а ализа круговой диаграмг и (фиг, 2) зидно.что фазовый угол - в первой зоне больше, а в третьей зоне меньше фазового угла V и не превышает 180

а фазовый угол Q. ЕЮ втов четвертой зоне

рои зоне меньше. больше фазового угла V и не превышает 180°. При выведении потен1Дйальной точки d на окружность квазкравновесия {Ъ из первой ИЛИ третьей зоны LV , а при выведении потенциальной точки d.j на окружность квазиравновесия fb из второй или четвертой зоны LV LQ. При уравновешивании по тангенсу угла потерь измеряемого комплексного сопротивления (фиг. 2) происходит сравнение фазового угла V с фазовым углом V, который в случае нахождения потенциальной точки d, в первой или третьей зоне не превышает 130, или фазового yivia V с фазовым углом 0, который в случае нахождения потенциальной точки

во второй или четвертой зоне ке превышает 180°.

Работа цифрового моста переменного тока, например, при измерении реактивной составляющей комплексного сопротивления осуществляется следующим образом.

С мостовой измерительной цепи 1 на входы ФВП 9 поступают напряжения (5 и и д( (фиг. Ь а строка а, Фиг. 5 б строка а), на выходах которого формируются временные интервалы, пропорциональные фазовым углам -f (фиг. 5а строка с, фиг. 5 б строка с) и Q (фиг. 5 а строка f ., фиг. 56 строка f}, поступающие на информационные входы ключей 14 и 15. Напряжения j и и поступают на входы блока управления 12, который производит ана|лиз, какой из фазовых углов Ч или Q, (не превышает 180° , а именно 180 и вырабатывает импульсы, управляющи работой ключей 14 и 15, причем открывается тот ключ, на вход которо го поступает временной интервал, пр порциональный фазовому углу, не пре вышающему 180° . Работа блока управления осуществляется следующим образом. Напряжение 1) поступает на вход блока формирования импульсов 26, ко торый формирует узкий импульс в момент перехода через нулевой уровень с плюса на минус напряжения U (фиг. 5а строка е, фиг. .56 строка е который поступает на первый вход .эл мента И 28 и на прямой вход элемента ЗАПРЕТ 29. Напряжение и поступает на вход усилителя-ограничителя 27, который формирует импульс полож тельной полярности {фиг. 5а строка фиг. 5 б строка d) за время действи отрицательной полуволны напряжения Сформированный импульс поступа ет на второй вход элемента И 28 и инверсный вход элемента ЗАПРЕТ 29. На выходе элемента И формируется уз кий импульс в момент совпадения во времени входных сигналов (фиг. 5а строки ds е), что соответствует нахождению потенциальной точки d в пе вой или третьей зоне круговой диаграммы (фиг. 2), и устанавливает RS-триггер 30 по ,5-входу Б единично состояние, т.е. на первом выходе бл ка управления формируется положител ный уровень (ф.г. 5а строка д), который открывает ключ 14, а на втором выходе нулевой (фиг. 5а строка h), который закрывает ключ 15. При несовпадении во времени сигналов (фиг. 56 строки J, е), поступающих на входы элемента ЗАПРЕТ 29, на его выходе формируется узкий импульс, ко торый устанавливает RS-триггер 30 по R-входу в нулевое состояние, -т.е. на первом выходе блока управления формируется нулевой уровень (фиг. 5 б строка д), а на втором выходе - положительный (фиг. 56 строка h). С выхода одного из ключей 14 или 15 импульс (фиг. 5а строка с или фиг.56 строка f) поступает на первый вход интегратора 18. На входы фазовременного преобразователя 10 с мостовой цепи 1 поступают напряжения Uoit) и Uj-jj, (фиг. 5а строка а, фиг. 56 строка а), с выхода которого импульс, пропорциональный фазовому углу V (фиг. 5 строка Ь) поступает на второй вход интегратора 18. Интегратор 18 сравнивает временные интервалы, пропорциональные фазовым углам V и Ч или Q (фиг. 5 строка i ) . Результирующее напряжение на входе интегратора 18 зависит от соотношения длительностей импульсов, поступающих на его входы и, следовательно, от соотношения величин фазовых углол V и Ч или Q. с выхода интегратора 13 сигнал подается на вход .блока обработки сигналов 20, причем первый информационный сигнал поступает с выхода блока управления 12 и единица соответствует положительному уровню напряжения, ноль-нулевому уровню напряжения, а второй информационный сигнал поступает с выхода интегратора 18 и единица соответствует положительному уровню напряжения, ноль-Отрицательному уровню напряжения. На выходе блока обработки сигналов 20 вырабатывается импульс, который управляет работой блока уравновешивания 22 по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления, причем положительный уровень на выходе блока обработки сигналов 20 соответствует недоуравновешенному состоянию, а нулевой - переуравновещиванию мостовой измерительной цепи. Выходной сигнал блока обработки сигналов 20 управляет работой блока . уравновешивания по реактивной сост-двляющей 22 измеряемого комплексного сопротивления. Одновременно с уравновешиванием по реактивной составляющей происходит уравновешивание по тангенсу угла потерь. Работа этой части блок-схе 1ы происходит анашогично работе тракта формирования регулирующего воздействия по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления. Отличие заключается в том, что фазовый угол V сравнивается с фазовыми углами V или 9 (фиг. 6). Использование предлагаемого циф рового моста обеспечивает по сравненшо с существукядими устройствами повышения быстродействия измерения реактивной составляющей и тангенса угла потерь измеряемого комплексного сопротивления. Формула изобретения. 1. Цифровой мост переменного тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный вдиагональ питания мостовой измерительной . цепи, первая вершина измерительной диагоналикоторой, примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первым входам первого и второго фазовременных преобразователей и третьему входу третьего фазовременного преобразователя, первый вход которого подсоединен к первой вершине диагонали питания, примыкающей к измеряемому комплексному сопротивлению, вт.орая вершина Диагонали питания, не примыкающая к, измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к третьему входу

первого фазовремянного преобразователя и второму входу второго фазовременного преобразователя, вторая Вершина измерительной диагонали, не примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению,- подсоединена, к второму входу третье:: О фазовременного преобразователя, два интегратора и два блока уравновешивания, выходы которых подсоединены к входам соответствующих блоков индикации, отличающийся тем, что, с Целью повышения быстродействия измерения, в него введены два блока управления, четыре ключа, два блока Обработки сигналов, причем первая вериина измерительной диагонали подсоединена к третьим входам блоков управления, вторая вершина измерительной диагонали подсоединена к вторым входам первого фазовременного преобразователя и блоков управления, первая вершина диагонали питания подсоединена к третьему входу второго фазовременного преобразователя и первому входу второго блока управления, вторая вершина диагонали питания подсоединена к первому входу первого блка управления, первые и вторые выходы первого и третьего фазовременных преобразователей через информационные входыпервого и второго, третьего и четвертого ключей подсоединены соответственно к первым входам первого и второго интеграторов, вторые входы которых подсоединены к выходу второго фазовременного прео разователя, первые выходы первого и второго блоков управления подсоединены к управляющим входаг соответственно первого и третьего ключей и первым входам соответствующих блоков обработки сигналов, вторые входы которых подсоединены соответственно к выходом первого и второго интеграторов, вторые выходы первого и второго блоков управления подсоединены соответственно к управляющим входам второго и четвертого ключей, выходы блоков обработки сигналов подсоединены к входам соответствующих блоков уравновейшвания.

2. Мост по п. 1, отличаюш. и и с я тем, что блок управления содержит блок Формирования импульсов усилитель-ограничитель, элемент И, элемент ЗАПРЕТ, RS-триггер, причем первый вход блока управления подсоединен к первому входу блока формирования имлульсов, второй вход блока управления подсоединен к второму входу блока формирования импульсов и первому входу усилителя-ограничителя третий вход блока управления подсоединен к второму входу усилителя-ограничителя, выход которого подсоединен к инвертирующему входу элемента ЗАПРЕТ и второму входу элемента И, выход блока формирования импульсов подключен к прямому входу элемента ЗАПРЕТ и первому входу элемента И, выходы элементов И и ЗАПРЕТ подсоединены соответственно к S- и R-входам триггера, .прямой и инверсный выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму выходам блока управления .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Приборы и системы правления № 11, 1977, с. 41.

2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2596912/21,

кл. G 01 R 17/10 1978.

г.2

PU2,3

V 1

- %.e