Фазовый способ уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи Советский патент 1982 года по МПК G01R17/10 

(S) ФАЗОВЫЙ СПОСОБ УРАВНОВЕШИВАНИЯ КОМПЕНСАЦИОННО-МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначен для измерения составляющих комплексного сопротивления с помощью мостов переменного тока. Известен способ формирования регу лирующих воздействий для уравновешивания цифровых мостов переменного то ка по составляющим измеряемого комплексного сопротивления. Регулирующие воздействия для уравновешивания мостовой измерительной цепи по составляющей, однородной образцовому элементу, расположенному в плече ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление ( тангенсу угла потерь), формируют по результатам сравнения двух сигналов, один из которых пропорционален временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровень напряжения, снимаемого с измеряемого комплексного сопротивления а конец - с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление. Второй сигнал пропорционален временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровень напряжения, снимаемого с плеча, расположенного в ветви, не содержащей измеряемое комплексное сопротивление, и примыкающего к измеряемому комплексному сопротивлению, а конец - с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече, не примыкающем к измеряемому комплексному сопротивлению 1J. Недостаток известного способа низкая точность измерения составляющей измеряемого комплексного сопротивления , однородной образцовому элементу, обусловленная незначительными изменениями сравниваемых углов даже при изменениях в широких пределах напряжений, снимаемых с МИЦ. Кроме того, способ предполагает шунтирование всех плеч МИЦ, Известен фазовый способ формирования регулирующих воздействий для достижения состояния квазиравновесия по составляющей однородной образцовому элементу,- расположенному в ветви , содержащей измеряемое комплексное сопротивление, обладающий более высокой точностью и основанный на сравнении сигналов, один из которых пропорционален временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровень напряжения небаланса, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече, противоположном плечу, содержащему измеряемое комплексное сопротивление при последовательной схеме замещения последне го. А второй сигнал пропорционален увеличенному на Tf/iвременному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровен напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече вет ви, содержащей измеряемое комплексно сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень напряжения питания МИЦ Третий сигнал пропорционален второму сигналу, увеличенному на ±180° Регулирующее воздействие для уравновешивания по составляющей, неоднородной образцовому элементу, измеряемого комплексного сопротивления, фо мируют по результатам сравнения трех сигналов, один из котсзрых пропорционален временному интервалу, на чало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровень напряжения, снимаемого с образцового элемента, включенного в плечо ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень напряжения питания МИЦ второй сигнал пропорционален временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровень напряжения небаланса, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече. противоположном плечу, содержащему измеряемое комплексное сопротивление. Третий сигнал пропорционален увеличенному на - 180° интервалу вто рого сигнала f2J. Недостатком известного способа является низкая точность, обусловленная необходимостью формирования двух сигналов, увеличенных на /2-и 37С/2, и кроме того, для получения однозначной информации о направлении изменения регулируемого параметра необходимо решить систему из двух уравнений, а для получения высокой точности необходимо уравновесить МИЦ по измеряемой составляющей, т.е.вновь решить систему из двух уравнений, что существенно усложняет реализацию известного способа. Цель изобретения - повышение точности измерения составляющей измеряемого комплексного сопротивления, однородной образцовому элементу. Указанная цель достигается тем, что в фаЪовом способе формирования регулирующих воздействий, заключающемся в сравнении сигналов, пропорциональных временным интервалам,начало одного из которых совпадает с точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минует напряжения небаланса, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус напряжения , снимаемого с образцового элемента, включенного в плечо, противоположное плечу, содержащему измеряемое комплексное сопротивление, начало второго временного интервала совпадает с точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус напряжения, снимаемого с диагонали питания одной из ветвей, формируют третий сигнал, пропорциональный временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус) напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече, противоположном плечу, содержащему измеряемое 5 комплексное сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехо да через нулевой уровень с минуса н плюс (с плюса на минус напряжения, снимаемого с диагонали питания одно из ветвей, формируют четвертый сигнал, пропорциональный временному интервалу, начало котюрого совпадае с точкой перехода через .нулевой уро вень с минуса на плюс (с плюса на минусу напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с пл са на минус (с минуса на плюс)напря жения небаланса, формируют пятый сигнал, пропорциональный временному интервалу, начало которого совпадае с точкой перехода через нулевой уро вень с минуса на плюс (с плюса на минует напряжения небаланса, а коне совпадает с ближайшей точкой, перехода через нулевой уровень с плюса на минус ( с минуса на плюс) напряжения небаланса, формируют шестой сигнал, пропорциональный разности первого сигнала со вторым, третьим и четвертым сигналами, формируют седьмой сигнал, пропорциональный разности пятого и четвертого сигналов, по знаку шестого сигнала формируют регулирующее воздействие для уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи по составляющей , однородной образцовому элементу, расположенному в плече ветви содержащей измеряемое комплексное сопротивление, а регулирующее воздействие для приведения компенсационно-мостовой измерительной цепи в состоянии полного равновесия формируют по знаку седьмого сигнала. Принципиальное отличие предлагае мого фазового способа формирования регулирующих воздействий для уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи заключается в том, что он позволяет вдвое повысить точность измерения составляющей , однородной образцовому элементу, за счет изменения сравниваемых углов в противоположные стороны в процессе уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи. А для приведения компенсационно-мос товой измерительной цепи в состояние полного равновесия нет необхо87димости дополнительно формировать регулирующее воздействие по неизмеряемой составляющей комплексного сопротивления. На фиг. 1 представлена компенсационно-мостовая измерительная цепь; на фиг. 2 - k - типографические диаграммы процесса уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи; на фиг. 5 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Приняты следующие обозначения: компенсационно-мостовая измерительная цепь 1, измеряемое комплексное сопротивление 2 (R); 3 (С ), нерегулируемый образцовый элемент Ц (Rg,), регулируемый образцовый элемент 5 служащий для приведения компенсационно-мостовой измерительной . цепи в состояние полного равновесия (R-), нерегулируемый элемент 6 (С), трансформатор 7 питания, первичная обмотка 8 трансформатора питания с числом витков W, вторичная некоммутируемая обмотка 9 трансформатора питания с числом витков W, вторичная коммутируемая обмотка 10 трансформатора питания с числом витков W, генератор 11 синусоидального напряжения, 12 и 13 - потенциальные точки вершины измерительной диагонали компенсационно-мостовой измерительной цепи, а, f - напряжение питания ветви , 15 омпенсационно-мостовой измерительной цепи, содержащей измеряемое комплексное coпpoтивJJeниe, а Ь- напряжение питания ветви 1,16 компенсационно-мостовой измеритель ной цепи, не содержащей измеряемого комплексного сопротивления, cd- напряжение небаланса компенсационномостовой измерительной цепи, а с напряжение, снимаемое с плеча ,12 компенсационно-мостовой измерительной цепи, в которое включен образцовый нерегулируемый элемент (R), ad - напряжение, снимаемое с плеча 1,13 компенсационно-мостовой измерительной цепи, в которое включен регулируемый элемент (R,), 1,2,3. зоны возможного местонахождения потенциальной точки d в процессе уравновешивания, f - фазовый сдвиг вектора напряжения небаланса cd относительно вектора напряжения ad, V фазовый сдвиг вектора напряжения ас относительно вектора напряжения пи- , тания аЬ, 9й - фазовый сдвиг вектора 7 напряжения ad (относительно вектора напояжения питания аЬ, - фазовый дниг инвертированного вектора напояжсиия относительно вектора напряжения небаланса cd. Процесс уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной схе мы по составляющей измеряемого комплексного сопротивления, однородной образцовому элементу, осуществляетс за счет изменения напряжения питания ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, путем ко мутации витков вторичной обмотки трансформатора питания компенсацион но-мостовой измерительной цепи. Момент квазиравновесия компенсационно-мостовой измерительной цепи по измеряемой составляющей фиксируе ся при расположении точек с и d на одной окружности f . Состояние полного равновесия можно достичь регулировкой переменных параметров 5 или 6 ( Сд) (фиг.1). При одновременном изменении урав новешивающих элементов потенциальная точка d может находиться в любом месте круговой диаграммы (фиг. и 4) -, Вся площадь круговой диаграммы разбита на четыре зоны, которые образованы линией переключения, сов падайэщей с вектором напряжения Vgg и окружностью квазиравновесия -j- проходящей через точку С, при уравновешивании по однородной составляющей измеряемого комплексного сопротивления. Из анализа круговой диаграммы (фиг. 3) видно, что границы каждой зоны определяются конкретными соотношениями фазовых углов ( Ч V) и (d +4). При уравновешивании по составляющей измеряемого комплексно го сопротивления, однородной образцовому элементу, происходит сравнение фазового угла ( V) с фазовым углом (Эе+Ч). В первой и третьей зонах круговой диаграммы (фиг. 3 и t) фазовый угол ( vf - V) меньше фазового угла (Зе + М ).Во второй и четверто зонах - угол ( Y V) больше угла Ot+H). С целью исключения неоднозначности информации одновременно с сравнением фазовых углов ( f- V) и (36+ V ) производят сравнение угла Tf с фазовым углом Ч . В первой и четвертой зонах угол ft меньше фазо вого угла Ч , а во второй и треть зонах угол Т( больше фазового угла 7В Ч . При достижении состояния кваиравновесия по составляюи1ей, одноодной образцовокГу элементу, настуает равенство углов (if- У)и (дe.+), в момент выделения точек с и d а линию переключения - и равенство глов 1Г и Ч . Полное равновесие досигается при выполнении обоих ра венств if- V - V 0; (1) It- V О(2) Отсчет составляющих измеряемого комплексного сопротивления можно поучить следующим образом. Известно, что R Vai-Q c . Vc 2(oLe+)iJ R Vgb T 2(оГ.4/) где K и Ry., - радиусы окружностей уравновешивания. В момент полного равновесия Ryp- R -м, Приравнивая равенства (3) и (4) и учитывая, О, получаем . Таким образом, зная значение т-г и Rj. , можно определить значение синфазной составляющей измеряемого комплексного сопротивления - R Wi : wi Блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ (фиг. 5) содержит компенсационно-мостовую измерительную цепь 1, у которой измеряемое комплексное сопротивление 2(R), 3() образцовый элемент 4, служащий для выбора предела измерения (а) t образцовый регулирующий элемент 5 (Rj), образцовый нерегулирующий элемент 6 (Сд), трансформатор 7 питания, первичная обмотка 8 трансформатора питания компенсационно-мостовой измерительной цепи (Wjj) вторичная некоммутируемая обмотка 9 (W,) , вторичная коммутируемая обмотка 10 (Wa) трансформатора питания, генератор П сииусоида/-.ного напряжения, согласующие блоки 12-15 фазовременный преобразователь 16, блок 17 управления, преобразователи 18-20,блок 21 разности,анализатор 22 зон, блоки 23 и 2Ц уравновешивания, блок 25 индикации, причем первая вершина измерительной диагонали, примыкающая к измеряемому комплексному сопротивлению, подсоединена ко входу согласующего блока 13 и ко вто рому входу согласующего блока I, вт рая вершина измерительной диагонали соединена с общей шиной, первая вершина диагонали питания ветви, не содержащей измеряемого комплексного сопротивления, соединена с началом вторичной некоммутирующей обмотки 9 Cvi), подключена ко входу согласующего устройства 12 и к первым входам согласующих блоков 1 и 15. Вторая вершина диагонали питания ветви, не содержащей измеряемого комплексного сопротивления, подсоединена к концу вторичной некоммутирующей обмотки 9, к началу вторичной коммутирующей обмотки 10 и ко второму входу согласующего блока 15. Выход согласующего блока 12 подключен к первым вхо дам фазовременного преобразователя 16, 20 и блока управления 17. Выход согласующего блока 13 подсоединен ко вторым входам фазовременного преобразователя 16 и блока 17 управления и к первому входу фазовременного преобразователя ФВП) 19. Выход согласующего блока Т подключен к первому входу ФВП 18 и ко второму входу ФВП 19. Выход согласующего бло ка 15 подключен ко вторым входам ФВП 18 и ФВП 20. Выходы ФВП 16 и ФВП 18 ФВП 19 и ФВП 20 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам блока разности, выход которого подключен ко второму входу анализатора 22 зон, первый вхо которого подсоединен к выходу блока 17 управления, и ко входу блока 23 уравновешивания, выход анализатора 22 зон через блок 2 уравновешивания подсоединён ко входу блока 25 индикации. Цифровой Moct .переменного тока работает следующим образом. Напряжение V..J и V д, снимаемые с компенсационно-мостовой измерительной цепи, через согласующие блоки 12 и 13 соответственно поступают на первый и второй входы фазовременного преобразователя 16, на выходе которого формируется временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу f , поступающий на первый вход блока 21 разности, на .второй вход которого подается сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу V , поступающий с фазовременного преобразователя 18, на входы которого подаются напряжения V. и VQ,снимаемые с компенсационно-мостовой измерительной цепи через согласующие блоки Н и 15 Одновременно напряжения /.и (,,р подаются на входы ФВП 19, формирующего временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу f , а напряжение Vg поступают на входы ФВП 20, формирующего временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу Эе . Сигналы с выходов ФВП 19 и ФВП 20 поступают соответственно на третий и четвертый входы блока 21 разности, формирующего временной интервал, пропорциональный разности фазовых сдвигов f- V -Ч , поступающий на второй вход анализатора 22 зон, на управляемый вход которого и на вход блока 23 уравновешивания подается управляющий сигнал с блока 17 управления, который производит анализ, превышает или не превышает угол у IBO, Выходной сигнал анализатора зон управляет работой блока 2 уравновешивания, который производит коммутацию витков вторичной обмотки 10. Блок 23 уравновешивания осуществляет регулировку параметра 5. Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с известными способами повышение точности измерения составляющей измеряемого комплексного сопротивления, однородной образцовому элементу, что особенно важно при разработке устройств контроля параметров технологических процессов в АСУТП, Формула изобретения фазовый способ уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи, заключающийся в сравнении сигналов, пропорциональных временным интервалам, начало одного из которых совпадает с точкой перехода Через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус) напряжения небаланса, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус ) напряжения, снимаемого с образцового элемента, включенного в плечо, противоположное плечу, содержащему измеряемое комплексное сопротивление, начало второго временного интервала совпадает с точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус) напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с минуса на- плюс ( с плюса на минус) напряжения, снимаемого с диагонали питания одной из ветвей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения синфазной составляющей измеряемого комплексного сопротивления формируют третий сигнал, пропорциональный временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через ну левой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус) напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече, противоположном плечу, содержащему измеряемое комплексное сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус) напряжения, снимаемого с диагонали питания одной из ветвей, формируют четвертый си1- нал, пропорциональный временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уро9712 вень с минуса на плюс (с плюса на минус) напряжения, снимаемого с образцового элемента, расположенного в плече ветви, содержащей измеряемое комплексное сопротивление, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с плюса на минус (с минуса на плюс)напряжения небаланса, формируют пятый сигнал, пропорциональный временному интервалу, начало которого совпадает с точкой перехода через нулевой уровень с минуса на плюс (с плюса на минус) напряжения небаланса, а конец совпадает с ближайшей точкой перехода через нулевой уровень с плюса на минус (с минуса на плюс ) напряжения небаланса, формируют шестой сигнал, пропорциональный разности первого сигнала со вторым, третьим и четвертым сигналами, формируют седьмой сигнал, пропорциональный разности пятого и четвертого сигналов, по знаку шестого сигнала формируют регулирующее воздействие для уравновешивания компенсационно-мостовой измерительной цепи по синфазной составляющей измеряемого комплексного сопротивления,а регулирующее воздействие для приведения мостовой измерительной цепи в состояние полного равновесия формируемся по знаку седьмого сигнала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР W , кл. G 01 R 17/10, 1971. 2,Авторское свидетельство СССР If 395783. кл. G 01 R 17/10, 1972 (прототип),