Цифровой мост переменного тока Советский патент 1981 года по МПК G01R17/10 

(54) ЦИФРОВОЙ МОСТ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров комплексного сопротивления. Известен цифровой мост переменно го тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной цепи, вершина измерител ной диагонали которой, примыкающая к измеряемому комплексному сопротив лению, подсоединена к первым входам первого и второго фазовременных пре образователей и к третьему входу третьего фазовременного преобразова теля, вторая вериина измерительной диагонали подключена ко второму вхо ду второгр фазовременного преобразо вателя, выход которого подсоединен ко вторым входам четырех интеграторов, вершина диагонали питания мостовой. измерительной цепи, примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первому входу дифференцирующей цепи и треть ему входу первого фазовременного преобразователя, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первым входам первого и второго интеграторов, выходы которы подсоединены соответственно к прямотму и инверсному входам первого эдхемента ЗАПРЕТ, выход которого через блок уравновешивания по реактивной составляющей измеряелюго комплексного сопротивления подключен ко входу первого цифрового индикатора, вто ргш вершина диагонали питания мостовой измерительной цепи подсоединена ко вторым входам дифференцирующей цепи, первого и третьего фазовременных преобразователей и к третьего входу второго фазовременного .пре- образователя, выход дифференцирующ,ей цепи подключен к первому входу третьего фазовременного преобразователя, первый и второй выходы которого подсоединены соответственно к первым входам третьего и четвертого интеграторов, выходы которых подключены соответственно к прямому и инверсному входам второго элемента ЗАПРЕТ, выход которого через блок уравновешивания по,активной составляющей нагмеряемого комплексного сопротивления подсоединен ко входу второго блока индикации l. Недостатком данного мйста является невысокая точность канала уравновешивания по активной составляющей измеряемого комплексного сопротивле ния, .обусловленная наличием в этом канале дифференцирующей цепи, вносящей погрешность в процесс форми- . рования регу/1ируюмих воздействий, вследствие чего точность измерения активной составляющей измеряемого комплексного сопротивления занижена Известен цифровой мост переменного тока, лишенный указанного недоста ка, содержащий генератор синусоидаль ного напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной цепи, первая вершина диагонали питания которой, примлкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к первому, первого фазоврёменного преобразователя и второму входу третьего фазоврёменного преобразователя, вторая вершина диагонали питания подключена ко второму входу первого фазоврёменного преобразователя, первая вершина измерительной диагонали, примыкакядая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена к третьим входам первого и третьего фазовременных . преобразователей и второму входу вто рого фазоврелюнного преобра,зователя вторая вершина измерительной диагонали подсоединена к третьему входу второго и к первому входу третьего фазовременных преобразователей, первый и второй выходы первого фазоврёменного преобразователя подключены к первым входам первого и второго интеграторов соответственно, выход второго фазоврёменного преобразовате подсоединен ко вторым входам четырех интеграторов, первый и второй выходы третьего фазовременного преоб разователя подключены к первым входам третьего и четвертого интеграторов соответственно, выход первого интегратора подсоединен к прямому входу первого элемента ЗАПРЕТ, инверсных вход которого подключен к выходу второго интегратора, выходы третьего и четвертого интеграторов подсоединены соответственно к прямому и инверсному входам второго элемента ЗАПЕРТ, выход первого элемент ЗАПРЕТ через бдок уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подсоединен к первому блоку индикации, выход второго элемента ЗАПРЕТ через блок уравновещиванйя по тангенйу угла потерь измеряемого компглекуйого сопротивления подключен ко входу второго блока индикации 12J Недостатком этого моста является .невысокая точность .измерения составлякидих комплексного сопротивления, обусловленная наличием двухканальной структуры в каждом тракте формирова ния регулирующих воздействий. Цель изобретения - повышение точности измерения тангенса угла потер и реактивной составлякяцей измеряемого комплексного сопротивления. Указанная цель достигается тем, что в известный циЛровой мост переменного тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный в диагональ питания мостовой измерительной цепи, пять согласующих устройств, вход первого из которых соединен с вершиной диагонали питания мостовой измерительной цепи, не при1 ыка1ощей к измеряемому комплексному сопротивлению, а выход - с первым входом первого фазовременного преобразователя, выход которого соединен с первым входом первого интегратора, вход второго согласующего устройства и первый вход третьего согласующего устройства соединен с первой вершиной измерительной диагонали мостовой измерительной цепи, вторые входы третьего и четвертого согласующих устройств соединены с вершиной диагонали питания мостовой измерительной цепи, не приникающей к измеряемом комплексному сопротивлению, выход третьего согласующего устройства соединен с одним из входов второго фазовременного преобразователя, выход которого соединен с другим входом первого интегратора и первым входом второго интегратора, второй вход четвертого согласующего устройства и вход пятого согласующего устройства соединены с вершиной диагонали питания мостовой измерительной цепи, примыкающей к измеряемому комплексному сопротивлении), выход четвертого согласующего устройства соединен со вторым входом первого фазовременного преобразователя и первым входом третьего фазовременного преобразователя, второй вход которого соединен с выходом пятого согласующего устройства, выход третьего фазовременного преобразователя соединен со вторым входом второго интегратора, вторая вершина измерительной диагонали мостовой измерительной цепи соединена с общей шиной, два блока уравновешивания и два блока индикации, входы которых соединены соответственно с выходами блоков уравновешивания, введены управляемый инвертор и блок Управления инверто- - ром, причем выход второго согласующего устройства подсоединен к первому входу блока управления инвертором и информационному входу управляемого инвертора, выход которого подключен к первому входу второго фазовреьюнного преобразователя, выход третьего согласующего устройства подсоединен ко второму входу блока управ.ения инвертором, выход которого подключен к управляющему входу управляемого инвертора. При этом выйэд первого интегратора сое- . динен со входом первого блока уравновеюивания, а выход второго интегратора соединен со входом второго блока уравновешивания. Принципиальное отличие предлагае мого цифрового моста переменного тока от известного заклю.чается в том, что замена двухканальной струк туры в каждом тракте формирования регулирующих воздействий на одноканальную позволяет повысить точность уравновешивания по тангенсу угла потерь и реактивной составляющей из меряемого комплексного сопротивлени На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 - топографические диаграмкы процесса уравновешивания мостовой измерительной цепи по реактив ной составляющей измеряемого компле сного сопротивления и по тангенсу угла потерь соответственно; на фиг; 4 - 7 изображены временные диа раммы, поясйяющие работу канала ура новешивания по реактивной составляю щей измеряемого комплексного сопротивления. Устройство содержит мостовую измерительную цепь 1, у которой име ется измеряемое комплексное сопроти ление 2, 3 (С. ,R), образцовый элемент 4, служащий,для выбора пределов (R), регулируемой элемент 5, служащий для уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления (R), регулируе1 1й элемент б, служащий для уравновешивания по тангенсу угла потерь образцовый нерегулируемый элемент 7(04), генератор синусоидального напряжения 8, согла сующие устройства 9 - 13, блок 14 управления инвертором, управляемый инвертор 15, фазовременные преобразователи 16-18, интеграторы 19, 20, блок 21 уравновешивания по тангенсу угла потерь, блок 22 уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивле ния, блоки 23, 24, причем генератор синосуидального напряжения 8 включе в диагональ питания ав мостовой измерительной цепи 1, вершина налй питания которой а, не примыкаю щая, к измеряемому комплексному соп ротивлению 2, 3, подсоединена к первому входу согласуняцего устройст ва 12, ко второму входу согласуклцего устройства 11 и через согласующее устройство 9 - к первому фазовременного преобразователя 16, выход которого подключен к первому входу.интегратора 19, выход котброг через блок уравновешивания по рейктивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления подсоеди нен ко входу блбка индикации 23, вторая вершина диагонали питания ключена ко второму входу согласующего устройства 12 и через согласую щее устройство 13 - к первому входу фаэовременного преобразователя 18, выход которого подсоединен к первому входу интегратора 20, выход которого через блок 22 уравновешивания по тангенсу угла потерь подсоединен KCJ входу блока индикации 24, первая вершина измерительной диагонали, при1 1кающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подключена к первому входу согласующего устройства 11 и через согласующее устройство 10 - к первому входу блока 14 управления инвертором и к информационному входу управляемого инвертора 15, выход которого подсоединен к первому входу фазовременного преобразователя 17, выход согласующего устройства. 11 подсоединен ко вторым входам блока 14 управления инвертором и фазовременного преобразователя 17, выход которого подключен ко вторым входам интеграторов 19, 20, выход блока управления инвертором 14 подсоединен к управляющему входу управляемого инвертора 17, выход согласующего устройства 12 подключен ко вторым входам фазовременных преобразователей 16, 18, вторая вершина измерительной диагонгши соединена с общей шиной. На фиг. 2 и фиг. 3 с и d - потенциальные точки, соответствующие вершинам измерительной диагонали; аВ напряжение питания мостовой измерительной цепи; cd - напряжение небаланса мостовой измерительной цепи; са - напряжение, снимаемое с плеча мостовой цепи, в которое В1 лйчен образцовый . элемент, служащий для выбора пределов 4 (R/); ad - напряжение, снимаемое с плеча мостовой цепи, в которое включен регулируемой элемент , уравновешивающий мостовую цепь по реактивной составляющей 5 (Rj) bd - напряжение, снимаемое с плеча мостовой цепи, в которое включены образцовый нерегулируегллй элемент 7 (Сд) и регулируемый элемент ), уравновещивающий мостовую цепь по тангенсу угла потерь; V - фазовый сдвиг, образованный векторами падения напряжения ad относительно напряжения питания . V - фазовый сдвиг образованный векторами напряжения небсшанса cd относительно падения напряжения са; - фазовый сдвиг, образованный векторами инвертированного напряжения небаланса dc относительно падения напряжения са; - фазовый сдвиг, образованный векторами падения напряжения db относительно напряжения питания аЬ; dl , Р- окружности уравновешивания мостовой измерительной цепи в обобщен1шх обозначениях. Процесс уравновешивания мостовой измерительной цепи по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления осуществляют р1вгулировкой переменного параметра 5(R). Мостовая цепь 1 (фиг. 1) находится в состоянии квазиравновесия по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления, если потенциальные точки с и d, соответствующие ве шиндм измерительной диагонали, расположены на одной окружности (фиг. 2).- Информацию, необходимую для коммутации параметра, уравновешивающего мостовую измерительную цепь по реактивной составляющей получают путем сравнения угла v с углами f или 1J , причем угол v сравнивается с углом Ч, если 1р - 180, если 180 ,, то угол v сравнивается с углом . Этодаёт возможность точно определить, какой из четырех зон круговой диаграммы (фиг. 2 ) находится потенциальная точка d. Из анализа круговой диаграмма видно, что в случае/ когда потеициапьная точка d находится в 1-я зоне, угол Ч 18а°и , во 2-й зоне угол f 180 и У7Ц, в 3-й зоне угол 180 и , в 4-й зоне угол If 180 и ,

Уравновешивание мостовой измерительной цепи по тангенсу угла потерь достигается при расположении потенциальных точек С и d на одной окружности d.. Для получения одноз начной информации о местоположении потенциальной точки d в одной из возможных зон (фиг. 3 ) осуществляют сравнение угла Д с углами или | , сравнение угла в с углом f осуществляют в случае, если угол Ч 180 . Если же f 180 , то с углом сравнивают угол ) . Анализ круговой диаграммы (фиг. 3) показывает, что в случае нахожден1|я потенциальной точки С в 1 зоне угол. к f , во 2-й-зойе угол Чг в 3-ёй зоне угол , в 4-й зове угол Ч 180° и .

Работа цифрового моста сводится к одновременному гравновешиванию моетовой измерительной цепи по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления и потангенсу угла потерь, осуществляемому двумя каналами ура1вновешивания. Обьшм для обоих каналов формирования регулирующих воздействий является тракт, состоящий из блока 14 управления инвер;тором, управляемого инвертора 15 и :фазовре1«1енного преобразователя 17, и формирующий сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу падения напряжения са относительно либо .напряжения небаланса ), либо инвертированного напряжения небаланса У . Тракт, состоящий из блока 14 управления инвертором, управляемого-инвертора 15, фазбвременных преобразователей 16, 17 интегратора 19, блока И. уравновешивания по реактивной составляющей измеряемого комплексного сопротивления и блока индикации 23, является каналом уравновешивания по реактивней составляющей измеряемого комплексного сопротивления.

Работа канала осуществляется следующим образом

На первый вход фазовременного преобразователя (ФВП) 16 через согласунлцее устройство (СУ) 9 подается напряжение Ug, а на-второй вход ФВП 16 поступает напряжение U,, с СУ 12. На второй вход ФВП 17 поступа напряжение с СУ 11, а на первый вход ФВП 17 подается напряжение либо с СУ 10 через управляемый инвертор (УИ)15.УИ 15 управляется сигналами с блока 14 управления инвертором, который, осуществляет сравнение фазового угла f с углом, равным 180°. В том случае, когда угол , через УИ 15 проходит сигнал Upd. Если же угол Р 180° , то УИ 15 инвертирует и и на первый вход ФВП 17 подается напряжение и . Фазовременные преобразователи 16, 17 вырабатывают импульсы одинаковой амплитуды (фиг. 4, фиг. б, фиг. 5, фиг. 7, строки d и е), длительность которых соответствует фазовым сдвигам между напряжениями, поступанидимина их входы.. На выходе ФВП-16 вырабатывается импульс ..длительностью соответствукяций фазовому углу v (фиг. 4, фиг. 6, фиг. 5, фиг. 7, строка-е). На выходе ФВП 17 вырабатывается импульс, соответствующий по длительности либо углу (если ), либо углу 1 (если Ч71800) (фиг. 4. фиг. 6, фиг. 5, фиг. 7 строка d)...

Импульсы с выходов ФВП 16 и ФВП 1 поступают на вход интегратора 19, который .сра18нивает углы v и f (если, Ч 180, что соответствует расположению потенциальной точки d в 1-й .или 3-й зонах круговой диаграмма а фиг. 2) или углы V и V) (если IQCr , т.е. точка потенциальная d находится во 2-й или 4-й зоне круговой диаграми« фиг. 2). Полярность сигнала на выходе интегратора 19 зависит от соотношения фазовых углов v и f или У и V . Сигнал на выходе интегратора 19 положительной полярное-, ти, если или (фиг-. 5, фиг, 7, строка f) и отрицательной полярности, если V 4или (фиг. 4, фиг. 6 строка f). Выходной сигнал интегра тора 19 управляет работой блока уравновешивания по реактивной составляющей 21 измеряемого комплексного сопротивления. Блокируя (сбрасывая } все изменения параметра, уравновешивающегр мостовую измерительную цепь по реактивной г-оставлянядей, приводящие к отрицательной полярности сигнала на выходе интегратора 19, и сбрасывая АблЭкируя) все изменения, приводящие к положительной полярности сигнала на вых.оде интегратора 19, прои водят уравновешивание по реактивгной составляющей измеряемого лексного сопротивления. Одновременно с уравновешивамием по реактивной составляющей происходит уравновешивание по тангенсу уг ла потерь. Каналом уравновешивания noig-d является тракт, содержащий блок управления инвертором 14, управляемый инвертор 15, фазовременHiae преобразователи 17, 18, интег-ратор 20, блок 22 уравновешивания по тангенсу угла потерь и блок индикации 24. Работа этой части блоксхе№а происходит аналогично работе канала уравновешивания по реактивной составлякнцей измеряемого компле сного сопротивления. Отличие заключается в том, что фазошяе утлы или ) сравниваются с углом |. . Использование предлагаемого цифрового мобта переменного тока обеспечйвает по сравнению с существующими мостами более высокую точиосзт изк рения тайгенса угла потерь и реактивной составлякщей измеряемого комплексного сопротивления. Формула изобретения Цифровой мост переменного тока, содержащий генератор синусоидального напряжения, включенный в диагона .питания- мостовой измерительный цепи пять согласующих устройств, вход пе вого из которых соединен с вершиной диагонали питания мостовой измери.тельной цепи, не. примякакхцей к изме ряемому комплексному сопротивлению, а выход - с первым входом первого фазовременного преобразователя, вых которого соединен с первым входом первого фазовременного преобразователя, выход которого соединен с ftfep .вым входом первого интегратора, вход .второго согласующего устройства и первый вход третьего согласующе.го устройства соединены с перврй вершиной измерительной диагонали моётовой измерительной цепи, вторые входа третьего и четвертого согласующих устройств соединены с верциной диагонали питания мостовой измерительной цепи, не прикыкающей к измеряемому комплексному сопротивлению, выход третьего согласующего устройства соединен с одним из входов второго фазовременного преобразователя, выход которого соединен с другим входом первого интегратора и первым входом второго интегратора, второй вход, четвертого согласующего устрой-, ства и вход пятого согласукяцего устройства соединены с верииной диагонали питания мостовой измерительной цепи/ примыкакщей к измеряемому комплексному сопротивлению, выход четвертого согласукяцего устройства соединен со вторым входом первого фазовременного преобразователя и первым входом третьего фазовременного преобразова:теля, второй вход которого соединен с выходом пятого согласующего устройства, выход третьего фазовременного преобразователя сЬедМнен со вторым входом второго интегратора, вторая вершина измерительной диагонали мостовой измерительной цепи соединена с общей шиной, два блока уравновешивания и Д1ва блока индикации, входа которых соединены соответственно с выходами блоков уравновешивания, отличающийся тем, что, с целью погаьавения точности изнюрения, в него введены управляемый инвертор и блок управления инвертором, причем выход второго согласуощего устройства подсоединен к первому входу блока управления инвертором н информационному входу управления инвертора, выход которого подключен к первому входу второго фазовременного преобразователя, выход третьехчэ согласующего устройства подсоединен ко второму входу блока управления инвертором, выход ко- торого подключен к управляющему входу управляемого инвертора, при этом выход первого интегратора соединен со входом первого блока уравновешивания, а выход второго интегратора соединен со входом второго блока уравновешивания. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Прокунцев А.Ф.,Крам А.Л., Максимова Е.С. Цифровой мост переменного тока.- Приборы и системы управления, 1977, 11, 2.Авторское свидетельство СССР по заявке 2596912/21 26.12.78.