Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления Советский патент 1982 года по МПК G01R27/02 

пульсов 0,5 НС погрешность достигает значений до 4%); б)погрешность коэффициентов пере дачи стробоскопических преобраэователей при изменении измеряемого сопротивления в широком динамическом диапазоне, так как при этом изменяет ся постоянная времени цепи заряда накопительного конденсаторастробоск пического смесителя (например, при изменении в диапазоне 1000м - 1-0 кОм погрешность достигается значений до в)мультипликативная погрешность стрелоскопических преобразователей (достигает значений до 3%). Цель изобретения - повышение точности измерений в широком динамическом диапазоне. Поставленная цель достигается тем, что в измеритель активной и реад тивной составляющих полного сопротив;1ения, содержащий задающий renepaiтор, два эталонных резистора, один из выводов первого эталонного резистора соединен с первым выводом второго эталонного резистора, второй вывод которого соединен, с общей шиной и с одним из зажимов для подключения измеряемого сопротивления, стробоскопический преобразователь, синхронизирующим входом подключенный через последовательно соединенные формирователь строб-импульсов, перестраиваемый генератор и фазовый детектор с выходом опорного генератора, введены последовательно соединенные преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый фильтр, выпрямитель, усилитель посто янного тока и источник света, посл.едователь.но соединенные второй фазовый детектор, второй фильтр, фазочувствителъный выпрямитель, цифровой вольтметр, вычислительный блок и циф ровое отсчетнов; устройство, а также автоматический переключатель, усилитель некомпенсации, звено обратной связи, сумматор, первый и второй фоторезисторы, делитель частоты, цифровой омметр, индуктивность, причем второй вывод первого эталонного резистора и первый зажим для подключения измеряемого сопротивления через последовательно соединенные автоматический переключатель, стробоскопический преобразователь и усилитель некомпенсации соединены) с другим вхо дом первого фазового детектора и со входом звена обратной связи, первый и второй выходы сумматора соединены соответственно с выходами задающего генератора и звена обратной связи, а выход подключен к первому выводу первого эталонного резистора и через первый фоторезистор к первому зажиму для подключения измеряемого сопротивления, автоматический переключаталь, управляющей вход которого соединен с выходом делителя частоты и с другим входом фазочувствительного выпрямителя, а выход через индуктивность подключен ко входам преобразователя переменного напряжения в по- . стоянное и второго фазового детектора, другим входом последнего соединен с выходом опорного генератора и со входом делителя частоты, два входа цифрового омметра подключены ко второму фоторезистору, а его выход к другому, входу вычислительного блока, источник;света оптически связан с первым и вторым фоторезисторами. На чертеже представлена структурная электрическая схема измерителя. Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления содержит сумматор 1, первым и вторым входами соединенный соответственно с выходами задающего генератора 2 и звена 3 обратной связи (например, резистивНый делитель напряжения), а выходом - с первыми полюсами первого фоторезистора 4 и первого эталонного резистора 5, вторые полюсы которых соединены непосредственно и через второй эталонный резистор.б соответственно с первым и вторым зажимами 7 и 8 для подключения измеряемого сопротивления 9 (z ) ., причем зажим 8 соединен с общей точкой из1мерителя, cтpoбocкoпJ чecкий-преобразователь 10, сигнальнйй вход которого через автоматический переключатель 11 .(например, электромагнитное реле, гёрконы) соединен со вторыми выводами фоторезистора 4 и эталонного резистора 5, вход синхронизации подключен через последовательно соединенные формирователь стробимпуль сов 12, перестраиваемый генератор 1з и первый фазовый детектор 14 к выходу опорного генератора 15, а выход через усилитель 16 Декомпенсации соединен с другим входом первого фазового детектора 14 и со входом звена 3 обратной связи преобразователь 17 пе-ременного напряжения в постоянное (например, преобразователь амплитудных, средних или действующих значений) , вход которого через индуктивность 18 соединен с выходом автоматического переключателя 11, а выход подключен через последовательно соединенные первый фильтр 19, выпрямитель- 20 и усилитель постоянного тока 21 ко входу источника света 22 (йа «имер, лампочка, светодиод) , оптически связанного с первым 4 и вторым 23 фоторезисторами, цифровой омметр 24, два .входа которого подключены ко второму фоторезистору 23, второй фазовый детектор 25, первый и второй входы которого соединены соответственно со входом преобразователя 17 переменного напряжения в постоянное

и с выходом опорного генератора 15, а выход подключен через последовательно соединенные второй фильтр 26 и фазочувствительный выпрямитель 27 ко входу цифрового вольтметра 28, вычислительный блок 29 (например, специализированный микропроцессор), подключенный к выходам цифрового омметра 24 и цифрового вольтметра 28 и ко входу цифрового отсчетного устройства 30, делитель 31 частоты, вход которого соединен с выходом опорного генератора 15, а выход с управляю1щм входом автоматического переключателя 11 и с другим входом фазочувствительного выпрямителя 27.

Измеритель активной и реактивной составляющих полного сопротивления работает следующим образом.

Автоматический переключатель 11 периодически подключают к сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10, а вторые выводы соответственно первого эталонного резистора 5 и первого фоторезистора 4 и управляются прямоугольным напряжением делителя 31 частоты, на вход которого поступает напр; жение опорного генератора 15 фиксированной частоты .

В первый полупериод коммутации к сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10 подключается средний выход эталонных резисторов. На входы сумматора 1 поступают высокочастотное напряжение задающего генератора 2 и через звено обратной связи 3 напряжение компенсации промежуточной частоты с выхода усилителя 16 некомпенсации. Они суммируются и через делитель напряжения, состоящий из эталонных резисторов 5 и б, автоматический переключатель 11 подаются на сигнальный вход стробоскопического преобразователя 10, на вход синхронизации которого поступают строб-импульсы с выхода формирователя 12 строб- импульсов. Ёыходной сигнал промежуточной частоты стробоскопического преобразователя 10 через усилитель 16 некомпенсации, а также напряжение опорной частоты генератора 15 поступают на входы фазового детектора 14. Выходной сигнал фазового детектора 14 с помощью перестраиваемого генератора 13 изменяет частоту повторения строб-импульсов на выходе формирователя 12 до тех пор, пока промежуточная частота выходного напряжАзия преобразователя 10 не станет равной опорной частоте. Таким образом, стробоскопический преобразователь 10 переносит с1мплитудно-фазовые соотношения входных сигналов на фиксированную промежуточную частоту, равную опорной

(например, 12,5 кГц). На эталонном резисторе 6 выделяется алгебраическая суммд двух напряжений высокой частоты фиксированной промежуточной частоты и пр. . В момент времени стробирования из мгновенных значений напряжения U вч вычитаются мгновен-ные значения компенсирующего на,пряжения ипр. этом на выходе стробоскопического преобразователя

0 10 формируется разностное напряжение некоменсации промежуточной частоты. Оно усиливается и инвертируется усилителем 16 некомпенсации и через звено 3 обратной связи поступает на

5 второй вход сумматора 1. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 16 некомпенсации в моменты . времени стробированид мгноэенные значения напряжений становятся равным и разностное напряжение j.- некомпенсации стремится к нулю. Таким образом, стробоскопический преобразователь 10 охвачен глубокой - отрицательной обратной связью по проS межуточной частоте. I

I Во второй полупериод коммутации -автоматический переключатель 11 подключает к сигнальному входу стробо|скопического преобразователя 10 пер0вый зажим для .подключении измеряемого сопротивления. Стробоскопический преобразователь 10, как и в первый полупериод, охвачен отрицательной обратной связью по промежуточной

5 частоте. Сумма высокочастотного напряжения задающего генератора 2 и напряжения компенсации промежуточной частоты с выхода сумматора 1 через делитель напряжения, состоящий из

0 фоторезистора 4 и измеряемого сопротивления 9, автоматический переключатель 11 подается на сигнальный вход стробоскопического преобразователя IQ, На исследуемом сопротивлении 9 выделяется алгебраическая двух напряжений высокой частоты Ugq- И фИ| сированной промежуточной частоты Unp,, В моменты времени стробирования из мгновенных значений напряжения UB.

« вычитаются мгновенные знз.чения компенсирующего напряжения за счет глубокой отрицательной обратной связи по промежуточной частоте происходит их взаимная компенсация. Разностное напряжение некомпенсации стремится к нулю. При этом исключается влияние сопротивления Z на коэффициент передачи стробоскопического преобразователя 10.

За счет действия глубокой отрицательной обратной связи по промежуточной частоте, охватывающейв каждый из полупериодов коммутации стробоскопический преобразователь 10, в точках а и S формируются соответственно

5 напряжения фиксированной промежуточной частоты Uppи Ufiton которые пол ностью повторяют амгшитудно-фазовые cooтдJoшeни5 высокочастотных нaпpяжe НИИ Ugi, и Ug42 выделявидихся соответственно на эталонном резисторе б, Измеритель может работать в составе информационно-измерительных систем и его быстродействие составляет величину порядка 50-100 но. Напряжения Цпр и Ufifi представляют собой трансфбрмиройанные вй зрении со ответственно напряжения ъчп Поочередное подключение эталонной и измерительной цепей к сигнальному входу стробоскопического преобразователя 10 не изменяет коэффициента его передачи. Через индуктивность 18 на вход преобразователя 17 переменного напряжения в постоянное (например, преобразователя амплитудных, средних или действующих значений) поступает периодически повторяющаяся с частотой коммутации после ювательность пакетов напряжений Unpa Фиксированной промежуто $ной частоты. При неравенстве этих н пряжений на , выходе первого фильтра 19, убирающего постоянную составляювзую выходного напряжения преобразователя 17 переменного напряжения в постоянное, фор мируется переменное разностное напря keHHe с частотой коммутации, которое выпрямляется вьтрямителем 20, усиливается усилителем 21 постояйнсгго токэ и с помощью источника 22 света преобразуется в световой поток, изменяющий значение сопротивления первого фоторезистора 4 до тех пор, пока не произойдет компенсация напряжений ijtip и пра п амплитудным, средним либо действующим значениям. При достаточно большом коэффициенте усиле-ния усилителя 21 постоянного тока, разность напряжений Unp и Unp уменьшается до весьма малой величины, определяемой статизмом системы регулирования. Световой поток источника 22 света одинаково изменяет сопротивления обо их.фоторезисторов 4 и 23, которые подобраны в пару и имеют одинаковую температуру. При этсж значения сопро тивлений, обоих фоторезисторов 4 и 23 равны и измеряются с помощью ци(й рвого омметра 24, подключенного ко второму фоторезистору 23. Значение сопротивления фоторезистора 23 изме ряется либо на постояннемл токе, либо на переменном. Применение подобранных в пару двух фоторезисторов 4 и23 оптически связанных с одним источником 22 света j исключает влияние вход ной цепи цифрового омметра 24 на высокочастотную измерительную цепь, в которую.включено измеряемое сопро тивление 9 (Гх ). Индуктивность 18 служит для разделения напряжений высокой и низкой фиксированной промежуточной частоты. Периодически повторяющаяся после.доватедьность пакетов напряжений Unp и Unpg поступает также на neiiвый вход второго фазового детектора 25 V на второй вход которого подается напряжение опорной частоты генератора 15. На выходе второго фильтра 26, убирающего постоянную составляющую выходного напряжения фазового детекЦгора 29, формируется переменное на-пряжение с частотой коммутации и ам Ш1итудой, пропорциональной разности фаз напряжений Unp и Unp. . Оно поступает на первый вход фазочувствитель-ного выпрямителя 27, на другой вход которого подается выходное напряжение делителя 31 частоты, и выпрямляется, а затем измеряется с помощью цифрового вольтметра 28. Разность фаз напряжений промежуточной частоты Unp и Опр равна разнести ф§з высокочастотных напряжений Овч В4о« Так как эталонные резисторы 5 и б выполнены безреактивными, то напряжение Цеч по фазе совпадает с высокочастотным напряжением tjpqj- , приложенным к последовательно соединенным фоторезистору 4 и измеряемому сопротивлению 9 (тс ). Разность фаз между напряжениями и равна углу ot между екторокгсуммарного сопротивления Z фоторезистора 4 и измеряемого сопротивления 9 (Zx ) и вектором самого измеряемого сопротивления . Сопротивление Zt равно Zj; Zx Кф , где R«} - значение активного сопротивлейия фотореэистора 4, который выполнен безреактивным. В вычистительный блок 29 вводятся по его входам коды значений активного сопротивления фотореэнстора 4 и угла oL с выходов, соответственно, цифрового омметра 24 и цифрового вольтметра 28. По этим значениям в вычислительном блоке 29 нетрудно вычислить активную и реактивную составляющие измеряемого сопротивления 9, которые индицируются цифровым отсчетйым устройством 30. Из. треугольника сопротивлений Zj;, Zx и Еф по теореме синусов и по теореме косинусов можно записать соответственно два уравнения Кф .Itnl si not x Z, J2-2|z с-|-iz Icosot fl) i i xi i I-xt где ( - аргумент измepяe югo сопротивления Zj. Амплитуды высокочастотных напряжений Ue4.i равны, так как и скомпенсированы сортветствующие и напряжения промежуточной частоты Unpri ®Довательно, коэффи ент передачи Кд делителя напряже образованного резисторами 5 и 6, вен К - 2 a-R:; г,(з). где R и R J- значения сопротивле эталонных резисторов 5 и 6. Решая совместно уравнения (1), (2) и(3) после несложных преобра ваНИИ получаем ,;С05оС :Sin4x Ji + Kl-aK -cosct Для частного случая, когда cL а Кд 0,5, модуль Z Vравен сопр тивлению Яф. Из уравнений (4) и (5). получаем выражения для активной Re и реа тивной Jnij составляюидах измеряем го комплексного сопротивления Kg Vl K|-2Kg- cosot- If K| -2Кз cosot Кф- Kg-s5not 2x 1 К|-2К.- coSot В предлагаемом устройстве измеритель с помощью одного и того же стробоскопического преобразователя осуществляет поочередное преобразование высокочастотных напряжений Овц- и Ueq-i периодически подаваемых на его сигнальный вход с помощью автоматического переключателя. Причем ам литупы высокочастотных напряжений иб«ц и Овчо поддерживаются равными. В результате этого формируются с одинаковой методической погрешностью, возникающей из-за конечной длительности строб-импульсов, напряжения промежуточной частоты Unp- . Высокочастотные напряжения Ugq и уравновешивают я пут§м уравновешивания напряжений Unpi npij низкой фиксированной частоты. Поскольку для уравновешивания высокочастотных напряжений Ugq и Ц цц используется разность действуX значений напряжений, и tTj, , то значения методической погрешнос стробоскопического преобразователя из-за конечной длительности стробимпульсов взаимно исключаются при вычитании, и она на влияет на точность уравновешивания Ug и , a следовательно, исключается из результатов измерений. Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет один стробоскопический преобразователь вместо двух неидентичных. Измерение значения угла uL , а также сам процесс уравнов ивания высркочастоных напряжений Овч, прокеходят на низкой известной фиксированной частоте и поэтсму могут быть осуществлены с больпюй точностью, порядка 0,1% +0,2%. При соответствуиячем подборе фото резисторов 4 и 23 и условий их работы можно добиться неидентичности значений их сопротивлений порядка 0,1% 0,2%. С этой точностью измеряется цифровым омметром 24 значение сопро:тивления первого фоторезистора 4. Суммарную погрешность измерений активной и реактивной составляющих полного сопротивления можно оценить примерно как у«0,5%. Формула изобретения Измеритель активной и реактивной остсшляющих полного сопротивления, одержащий задаюндай генератор, два талонных резистора, ода1н Из выво- ов первого эталонного резистора содинен с первым выводом второго этаонного резистора, второй вывод коорого соединен с оШей шиной и с дним из зажимов для подключения изеряемого сопротивления, стробоскопиеский преобразователь, синхронизиРУКлдий вход последнего соединен через последовательно соединенные формирователь строб-импульсов, перестраиваемый генератор и фазовый детектор с выходом опорного генератора, о тличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений в широком динамическом диапазоне, в него введены последовательно соединенные преобразователь переменного напряжения в постоянное, первый фильтр, выпрямитель, усилитель постоянного тока, источник света, последовательно соединенные второй фазовый детектор, второй фильтр, фазочувствительный выпрямитель, цифровой вольтметр, вычислительный блок и цифровое отцифровоесчетное устройство, а также автоматический переключатель, усилитель некомпенсации, звено обратной связи, сумматор, первый и второй фоторезисторы, делитель частоты, цифровой омметр, индуктивность, причем второй вывод первого эталонного резистора и первый зажим для подключения измеряемого сопротивления через последовательно соединенные автоматический