Компенсационно-мостовая измерительная цепь Советский патент 1982 года по МПК G01R17/10 

(54) КОМПЕНСАЦИОННО-МОСТОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника.

Известна мостовая измерительная цепь, содержащая ветвь, составленную из последовательно соединенных измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника и образцового сопротивления двухполюсника, бднородного одной из составляющих измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, вторую ветвь, составленную из трех последовательно соединенных образцовых сопротивлений двухполюсников, два из которых, расположенные в разных плечах ветвей, однородны одной составляющей, а третье - другой составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, причем оба образцовых сопротивления двухполюсников, однородных одной из составляющих измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, включены в смежные плечи ветвей, содержащей и не содержащей измеряемое комплексное сопротивление двухпо.пюсника, выполненного, например, по последовательной схеме замещения, соединены между собой и образуют одну из вершин

диагонали питания мостовой измери-. тельной цепи, а соединение образцового сопротивления двухполюсника второй ветви, однородного другой составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, с измеряемым комплексньом сопротивлением двухполюсника образуют вторую вершину диагонали питания мостовой измерительной цепи 1.

Недостатком данной мостовой измерительной цепи является низкая точность, обусловленная изменением значений образцовых сопротивлений двухпо.гаосников (резисторов, конденсаторов) от температуры и с течением времени. Кроме того, при использовании уравновешивающих мер сопротивления (резисторов, конденсаторов) линии уравновешивания представляют собой окружности. Это приводит к возникновению связи между контурами уравновешивания, которая ухудшает процесс уравновешивания.

Известна компенсационно-мостовая измерительная цепь, обладающая повышенной точностью, в которой уравновешивание внутри выбранного предела осуществляется коммутацией витков трансформатора питания (т.е. линией

уравновешивания является прямая), содержащая генератор синусоидального напряжения, выход которого подсоединен к первичной обмотке трансформатора питания, мостовую измерительную цепь, одна ветвь которой составлена из последовательно соединенных измерительного комплексного сопротивления двухполюсника и образцового сопротивления двухполюсника, однородного измеряемой составляющей комплексного сопротивления двухполюсника, а вторая ветвь составлена из последовательно включенньох образцовых сопротивлений двухполюсников: одного, однородного измеряемой составляющей комплексного coпpoтив Jeнйя двухполюсника, а другого - однородного по характеру неизмеряемой составляющей комплексного сопротивления двухполюсника, причем оба образцовых сопротивления двухполюсников, однородных измеряемой составляющей комплексного сопротивления двухполюсника включены, например, при последовательной схеме замещения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника в смежные плечи мостовой измерительной цепи и одними своими выводами подключены к началу нерегулируемой вторичной обмотки трансформатора питания, второй конец ветви/ не содержащей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, подключен k концу указанной вторичной обмотки трансформатора питания и к началу регулируемой вторичной обмотки, конец которой соединен с другим концом ветви, содержаццей измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника 2,

Недостатком данной измерительной Цепи является низкая точность измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника, обусловленная изменением значений образцовых элементов ветви, не содержащей измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника, от температуры и с течением времени. Кроме того, данная измерительная цепь характеризуется невозможностью одновременного измерения обеих составляющих комплексного сопротивления двухполюсника из-за отсутствия раздельного отсчета по составлякндей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, неоднородноЛ образцовому сопротивлению двухполюсника, расположенному в ветви, 4:одержаидей измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника. Так,составляющая измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, однородная образцовому сопротивлению двухполюсника, расположенного в ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника, определяется по формуле

h-

где W const, а W var, а составляющая измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, неоднородная образцовому сопротивлению двухполюсника, расположенному в ветJ ви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника, определяется по формуле

оСс-3 о1

Ж ol

f

Jc V(/i / oCol oCd

т.е. данное выражение зависит не только от своего уравновешивающего элемента, например jTd, но и от величины первой составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, что снижает в два раза быстродействие измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника {вторую составляющую можно измерить только после смены образцового сопротивления двухполюсника).

Цель изобретения - повышение точности при одновременном измерении обеих составляющих измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника.

Поставленная цель достигается тем, что в известную компенсационно-мостовую измерительную цепь, содержащую источник питания, выход которого подсоединен к первичной обмотке трансформатора питания, ветвь, составленную из последовательно соединенных измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника и образцового сопротивления двухполюсника, однородного одной из составляющих измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, одним из своих выводов подключенную к началу первой вторичной обмотки трансформатора питания, конец которой соединен с началом второй вторичной обмотки трансформатора питания, щведен фазовращающий блок, первый, второй и третий зажимы которого соединены с концом второй, с общим местрм соединения начала второй и конца первой

вторичных обмоток, трансформатора питания, с началом первой вторичной обмотки трансформатора питания соответственно, а четвертый зажим соединен со вторым выводом указанной ветви.

При этом при последовательной схеме замещения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника вывод ветви, соединенный с четвертым зажимом фазовращающего блока, подключен к измеряемому комплексному сопротивлению двухполюсника, а при параллельной замещения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника

0 вывод ветви, соединенный с четвертым зажимом фазовращающего блока, подключен к образцовому Сопротивлению двух полюс н ик а.

Предпочтительным является выполнение фазовращающего блока таким образом, чтобы вектор напряжения на его первом-четвертом зажимах был ориентирован относительно вектора напряжения на его третьем-первом (третьем-втором) зажимах так, что равен при |5Г V 23i-,

2

при О - V с

где V - фазовый сдвиг вектора падени напряжения, снимаемого с плеча ветви подключенной к началу первой вторичной обмотки трансформатора питания относительно вектора напряжения питания ветви, снимаемого с третьегочетвертого зажимов фазовращающего блока.

Целесообразно при одновременном измерении обеих составляющих измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника уравновешивающим элеме том по составляющей, однородной по характеру.образцовому сопротивлению двухполюсника, использовать вторую вторичную обмотку трансформатора питания, витки которой коммутируются

При этом уравновешивающим элементом по составляющей, неоднородной по характеру образцовому сопротивлению двухполюсника, являетсяфазовращающий блок, коэффициент передачи которого изменяется.

Возможно выполнение фазовращающего блока из трансформатора и фазовращающего узла, первой и второй зажимы которого подключены к первому и третьему зажимам фазовращающего блока соответственно, а третий зажим фазовращающего узла подсоединен через первичную обмотку трансформатора к третьему зажиму фазовращающего блока, первый и четвертый зажимы которого соединены через вторичную обмотку трансформатора между собой.

Кроме того, фазовращающий блок может содержать трансформатор и фазовращающее устройство, первый и второй зажимы которого подключены ко второму и третьему зажимам фазовращающего блока соответственно, а третий зажим фазовращающего устройствапод.соединен через первичную обмотку трансформатора к третьему зажиму фазовреицающего блока, первый и четвертый зажимы которого соединены через вторичную обмотку трансформатора между собой.

Предпочтительно коммутировать витки вторичной обмотки трансформатора, входящего в фазовращающий блок. Целесообразно выполнять переменными коэффициент передачи фазовращающего узла, входящего в фазовращающий блок.

Введение фазовращающего блока позволяет перейти от линий уравновешивания в виде окружностей к линиям уравновешивания в виде прямых, что i уменьшает взаимосвязь контуров ypasHo

вешивания, а использование в качеств уравновешивающих элементов .витков вторичных обмоток трансформаторов позволяет существенно повысить точность измерения составляющих сопротивления двухполюсника.

На фиг. 1 показана компенсационномостовая измерительная цепь; на фиг. 2 и 3 - варианты выполнения фазовращающего блока;на фиг.4 - ветвь компенсационно-мостовой измерительной цепи, составленная из последовательно соединенных измеряемого комплексного сопротивления двухполюсник выполненного по последовательной схеме замещения (резистор и конденсатор и образцового сопротивления двухполюника, однородного по характеру активной составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника; на фиг. 5 - ее круговая диаграмма (исходное состояние); на фиг. 6-8 процесс уравновешивания по составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, неоднородной образцовому сопротивлению двухполюсника, причем фиг. б соответствует неуравновешенному состоянию для первого (фиг. 2) и второго (фиг. 3) вариантов фазовращающего блока, фиг. 7переуравновешенному состоянию для певого варианта фазовращающего блока и состоянию квазиравновесия для второго варианта фазовращающего блока, фиг. 8 - состоянию квазиравновесия для первого варианта фазовращающего блока и состоянию недоуравновешивания для второго варианта фазовращающего блока; на фиг. 9 и 10 - процесс уравновешивания по составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, однородной образцовому сопротивлению двухполюсника, причем фиг. 9 соответствует состоянию недоуравновешивания, а фиг« 10 - состоянию переуравновешивания по измеряемой составляющей для обоих вариантов фазовращающего блока; на фиг.11 и 12 - процесс одновременного уравновешивания по обеим составляющим измеряемого комплексного сопротивления причем фиг. 11 соответствует состоянию переуравновешивания по составляющей измеряемого комплексного сопротивления , однородной образцовому сопротивлению двухполюсника для обоих вариантов фаэовращающего блока, и состоянию недоуравновешивания и квазиравновесия по составляющей измеряемого комплексного сопротивления, неЬднородной образцовому сопротивлению двухполюсника соответственно для первого и второго вариантов фазовращающего блока, а фиг. 12 - состоянию переуравновешивания по обеим составляющим измеряемого комплексного сопротивления.

Компенсационно-мостовая измерительная цепь содержит источник питания 1, трансформатор 2, первичная и вторичная обмотки которого соответственно 3,4 и 5, фазовращающий блок 6, первый, второй, третий и четвертый зажимы которого соответственно 7,8,9 и 10, комплексные сопротивления двухполюсника И и образцовое сопротивление 12 при последовательной схеме замещения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, образцовое сопротивление двухполюсника 11 и измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника 12 при параллельной схеме замещения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, фазовращающее устройство 13, трансформатор 14, первичная W и вторичная w обмотки которого 15 и 16 соответственно.

На круговых диаграммах обозначено: Cij - потенциальная точка, вершина ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника и образцовое сопротивление двухполюсника; dij - потенциальная точка, место

соединения конца первой и начала второй вторичных обмоток тран сформатора

bi - потенциальная точка, место соединения конца вторичной обмотки и первого зажима Фазовращакнцего блока; fij - потенциальная точка, место

соединения четвертого зажима фазовращающего блока и одного из зажимов ветви; mij - потенциальная точка, место соединения активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления двухполюсника;

Cijl - линия перемещения потенциальной точки Cij при уравновешивании по составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, однородной образцовому сопротивлению двухполюсника, для второго варианта фазовращающего блока, причем линия Cijl параллельна вектору аСоо; amij - линия перемещения потенциальной точки при уравновешивании составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, однородной образцовому сопротивлению двухполюсника чля первого варианта фазовращающего блока; Cij Ki- линия перемещения потенциальной точки при уравновешивании по составляющей измеряемого комплексного сопротив.ления двухполюсника, неоднородной образцовому сопротивлению двухполюсника для обоих вариантов фазЬвращающего блока;

зС Cij Klin - минимально возможная окружность квазнравновесия потенциальной точки Cij в обобщенных обозначениях; «(Cij,

oCCij,|3Cij- окружности квазиравновесия потенциальной точки Cij в обобщенных обозначениях; o(dij, окружность квазиравновесия потенциальной точки в обобщенных обозначениях; jit, - окружность квазиравновесия мнимой точки nij, причем 2R рь afij;

acij - вектор падения напряжения, снимаемого с образцового сопротивления двухполюсника;

adij - вектор напряжения, снимаемого с вторичной обмотки 5 трансформатора 2;

0 aijbi - вектор напряжения, снимаемого с вторичной обмотки 4 трансформатора 2; V - фазовый сдвиг вектора напряжения dcij относительно вектора напряжения afij , bifij - вектор напряжения, снимаемого с вторичной обмотки 16 трансформатора 14; Cijdij - вектор напряжения небапанса;

afij - вектор напряжения питания ветви;

5-угол, тангенс которого равен тангенсу угла потерь измеряемого комплексного сопротивления двухполюсни ка;

фазовый сдвиг вектора наV пряжения adij или вектора напряжения abi относительно вектора напряжения небаланса Cijdij, Процесс уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи по составляющей комплексного сопротивления двухполюсника, однородной образцовому сопротивлению двухполюсника, заключается в измерении напряжения питания ветви, составленной, из последовательного соединения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника и образцового сопротивления двухполюсника, путем коммутации витков вторичной обмотки Wi или Wj трансформатора питания. Момент квазиравновесия по составляющей, однородной образцовому сопротивлению двухполюсника, характеризуется выводом точки Cij,на одну окружность уравновешивания jTdij, при этом возможно использование любых известных способов формирования регулирующих воздействий.

Так в момент кваэиравновесия Rjdg-Pj-Ctj,T.e.

aftj-Лс

. Wi

()

Л.,; Ь

PC

v.

2(W;, + w/j Процесс уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи по составляющей измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, неоднородной образцовому сопротивлению двухполюсника, заключается в измерении напряжения питания ветви, составленной из последовательного со единения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника и образцового сопротивления двухполюсника, путем коммутации витков вторичной обмотки W;, трансформатора фазовращаюсцего . Момент квазиравновесия по составляющей, неоднородной образцовому сопротивлению двухполюсника, характеризуется выводом точки Cij на прямую аЫ для первого варианта фазовращающего блока и на одну окружность урав новешивания JSdij, при этом также воз можно использование любых известных способов формирования регулирующих воздействий. Так в момент полного равновесия для первого варианта фазо вращающего блока и в момент квазирав новесия для второго варианта фазовра щающего блока R (i di j Rj3Ci j aftj-acCij gfij- aCg , 2-Hfij iTc для первого варианта фазовращающего блока ./ C.U(2) dij-fe V a6i u/ / actij- dij-fe / ,iiili-v «с с ,,, , - -с ,, V ordii / acltj ) для второго варианта фазовращающего 1-177 S При одновременном измерении обеих составляющих измеряемого комплексног сопротивления двухполюсника следует отдать предпочтение второму варианту фазовращающего блока ввиду независимости отсчета по составляющей, неоднородной образцовому сопротивлению двухполюсника от величины составляющей, однородной образцовому сопротив лению двухполюсника (уравнение 5). При измерении только составляющей, однородной образцовому сопротивлению двухполюсника первый и второй вариан ты фазовращающего блока эквивалентны но с целью упрощения раздельного фор мирования регулирующих воздействий для приведения компенсационно-мостовой измерительной цепи в состояние полного равновесия следует отдать предпочтение первому варианту фазовращающего блока. Использование предлагаемой компен сационно-мостовой измерительной цепи W лозволяет повысить точность и быстродействие измерения составляющих комплексного сопротивления двухполюсника (различных емкостных и индуктивных датчиков), снизить аппаратурные затраты, что особенно важно при разработке АСУТП. Формула изобретения 1.Компенсационно-мостовая измерительная цепь, содержащая источник питания , выход которого подсоединен к первичной обмотке трансформатора питания, ветвь, содержащую последовательно соединенные измеряемое комплексное сопротивление двухполюсника и образцовое сопротивление двухполюсника, однородного одной из составляющих измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника, одним из своих выводов подключенную к началу первой вторичной обмотки трансформатора питания, конец которой соединен с началом второй обмотки трансформатора питания, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности, в нее введен фазовращающий блок, первый, второй, третий зажимы которого соединены с концом второй, с общей точкой соединения начала второй и конца первой вторичных обмоток трансформатора питания и с Началом первой вторичной обмотки трансформатора питания соответственно, а четвертый зажим соединен с вторым выводом ука.занной ветви. 2.Цепь по п. 1, отличающая с я тем, что при последовательной схеме замещения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника вывод ветви, соединенный с четвертым зажимом фазовращающего блока, подключен к измеряемому комплексному сопротивлению двухполюсника. 3.Цепь поп, 1, отлича ющ а я с я тем, что при параллельной схеме замещения измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника вывод ветви, соединенный с четвертым зажимом фазовращгиощего блока, подключен к образцовому сопротивлению двухполюсника. 4.Цепь ПОП.1, отличающаяся тем, что при одновременном измерении обеих составляющих измеряемого комплексного сопротивления двухполюсника уравновешивающим элементом по составляющей, однородной по характеру образцовому сопротивлению двухполюсника, является вторая вторичная обмотка трансформатора питания, витки которой коммутируются. 5.Цепь по п. 1, отлича ющ а я с я тем, что уравновешивающим элементом по составляющей, неоднородной по характеру образцовому сопротивлению двухполюсника, является

узел, первый и второй зажимы которого подключены к второму и третьему зажимам фазовращающего блока соответственно, а третий зажим фазовращающего устройства подсоединен через первичную обмотку трансформатора к третьему зажиму фазовращающего блока, первый и четвертый зажимы которого соединены через вторичную обмотку трансформатора между собой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

ГР 672572, кл. С 01 Р 17/10, 15.07.76 (прототип).

Фиг.г

Фиг.З

г лг ,„ Off .. C COOfliif SofoQ C/OO .cpus.5 : Г

ct-COOfnin

ию

фи{.9

CtOmln

si.fof

dCiOmln

Ы/П

КО

фие. W